Способ для восстановления подъемной силы воздушного винта (варианты) и устройство для его реализации (варианты).
Изобретение относится к авиастроению. Способ характеризуется тем, что воздушное вихревое образование над диском винта временно перегораживают струей сжатого воздуха по радиусу от периферии воздушного винта к оси вращения, параллельно его среднему диску. Разгоняют струю до скорости, примерно равной скорости вращения воздушного винта. Дозируют массу струи так, чтобы ее кинетическая энергия примерно равнялась кинетической энергии зарождающегося среднего вихря. Формируют струю в виде подобия перегородки, пересекающей преимущественно периферийную часть диска и возвышающейся над ней на высоту среднего по интенсивности зарождающегося вихря, до требуемого уменьшения интенсивности вращении вихревого образования и восстановления величины подъемной силы винта. Устройство характеризуется тем, что над винтом установлена одна или несколько перегородок, имеющих на конце, обращенном к оси винта, сопло системы сжатого воздуха, состоящей из источника, трубопровода и вентиля. Технический результат - улучшение аэродинамических характеристик воздушного винта. 8 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к аэродинамике воздушного винта и может быть использовано в авиастроении (вертолетостроении), при применении винтов большого диаметра.
Рассмотрим работу воздушного винта, пользуясь аэромагнитной аналогией. Вращаясь, лопасти винта отбрасывают назад воздух, создавая аэродинамические силы и его осевую скорость. За винтом струя воздуха закручивается в сторону его вращения (фиг.1 аналогия с гребным винтом).
Дальнейшее описание в основном относится к несущему винту вертолета. Под винтом возникает область повышеного давления. Над винтом - область пониженного давления. В результате образуется сила - упор, направленная вверх. Эта сила, уравновешивая вес вертолета, поддерживает его на определенной высоте. В случае ее превышения над весом, вертолет поднимается (набирает высоту). При ее снижении вертолет опускается. Более строгое описание требует учета выталкивающей силы, действующей на вертолет со стороны среды (воздуха). Вес и выталкивающая сила направлены встречно. Уравнение равновесия, удержания вертолета на определенной высоте имеет вид
где Ру - упор, G - вес, В - выталкивающая сила.
Представим аэродинамическое поле винта в виде пространственного диполя, комбинации источника и стока с равными расходами (чертежи даны применительно к гребному винту).
Упрощенное силовое поле является набором "эллиптических" силовых линий, расположенных вокруг винта. Здесь полезна аналогия с электромагнитным полем соленоида, состоящего из двух половин: неподвижной (пространство за винтом) и подвижной (пространство перед винтом). Источником является северный полюс, а стоком - южный (фиг.2, 3).
Принципиальным отличием поля винта от поля соленоида является наличие у первого закрутки силовых линий (для упрощения закрутка на фиг.2 не показана). Также не показано влияние корпуса носителя. В соответствии с (1, с.95), крутящий, момент винта рассчитывается по формуле
где Д - диаметр винта (м),
n - скорость вращения винта, (об/сек),
ρ - плотность жидкости, (кг·сек2/м4),
К1 - коэффициент момента.
Из формулы следует наличие резкого различия величины крутящего момента у винтов большого и малого диаметра. Отношение их может достигать 6÷8 порядков.
Выражение для упора винта имеет вид: Py=K2·ρ·n2·Д4, где К2 - коэффициент упора. Отношение упоров указанных винтов может достигать 5÷7 порядков. Давление за винтом большого диаметра значительно превышает давление за винтом малого диаметра. Следствием этого является существенное возростание сил трения между слоями жидкости, К этому же приводит и увеличение статического давления среды.
Таким образом, для винтов большого диаметра характерно наличие очень больших крутящего момента и упора. Например, увеличение диаметра в два раза приводит к увеличению момента в 32, а упора в 16 раз (при постоянных оборотах). В результате резко возрастает степень закрутки не только под или за винтом, но и над и перед винтом. Последнее может приводить к возникновению вихревого образования над винтом вертолета или перед винтом самолета. Вследствие этого возможно существенное уменьшение подъемной, тяговой силы воздушного винта и высоты летательного аппарата.
Целью изобретения является восстановление подъемной, тяговой силы воздушного винта и предотвращение аварийного снижения летательного аппарата. Цель достигается путем создания временной преграды для вихревого образования и уменьшения интенсивности его вращения.
Технический результат от применения предлагаемого изобретения состоит в предотвращении значительного уменьшения упора (подъемной силы) воздушного винта, обусловленного вихревым образованием в пространстве над винтом. Результат достигается за счет уменьшения интенсивности указанного образования. При этом необходимо исключить существенное увеличение сопротивления прохождению воздушного потока.
Рассмотрим сущность изобретения и действия, необходимые для выполнения способа.
1. Оптимальным местом воздействия на закрученность силового поля воздушного винта является пространство, окружающее лопасть. Оно расчленяется на две половины: засасывающую и нагнетающую. В первой - недостаток давления, во второй - избыток. Равнодействующий вектор давления направлен от центра области повышенного давления к центру области пониженного давления вдоль оси винта и под некоторым углом к ней. Основание вектора прецессирует под действием центробежных сил. Этим и определяется передача вращения от винта массе воздуха, расположенной перед его диском и воздействовать необходимо на эту часть пространства. При этом глубина воздействия (отстояние от диска винта) обуславливается необходимой степенью уменьшения закрутки.
2. Степень деления площади пространства не должна быть ниже (лучше выше) количеству лопастей. Каждая лопасть является источником закрутки. Однако и деление площади пополам дает ощутимый эффект. Простое перегораживание пространства создает большее сопротивление, так как требует более высоких перегородок.
3. С целью получения минимального сопротивления необходимо заменить перегораживание пространства на деление по определенному закону. При этом общий поток расчленяется на вихревые составляющие с меньшим радиусом вращения и взаимной компенсацией.
4. При делении необходимо обеспечить одинаковое направление моментов сил вращения 
где I - момент инерции вихревого образования, ε - среднее для образования угловое ускорение.
5. При симметрично однорядовом расположении относительно центра винта образования должны иметь одинаковую кинетическую энергию вращения
где ω - средняя угловая скорость образования.
6. Для системы образований, включающей одно большое центральное и несколько малых периферийных, расположенных на одной окружности, кинетическая энергия вращения центрального должна равняться сумме кинетических энергий вращения периферийных образований (точнее меньше на величину энергии взаимодействия периферийных, ∑Eвзп):
7. Для системы образований, включающей одно центральное и несколько рядов периферийных образований, радиус которых может уменьшаться по мере удаления от центра, должен выполняться следующий баланс энергий:
и т.д.,
где ΣЕВЗТ - кинетическая энергия взаимодействия образований первого ряда, ΣЕВЗI-II - энергия взаимодействия первого и второго рядов, ΣЕВЗIII-IV - энергия взаимодействия третьего и четвертого рядов, ΣЕI - энергия первого ряда, ΣЕII - энергия второго ряда, ΣЕIII - энергия третьего ряда.
8. Алгебраическая сумма моментов количества движения взаимодействующих образований должна равняться нулю:
9. С увеличением расстояния от оси винта масса образования должна уменьшаться, так как увеличивается его угловая скорость, обусловленная увеличением линейной скорости общего образования.
Учитывая, что относительная поступь λp у воздушного винта значительно меньше, чем у гребного винта, приходится заключить следующее. Роль способствующего фактора для воздушного винта крайне велика. Без наличия большой вращающейся массы воздуха (mвр>mпост) возникновение смерча маловероятно. Такое может обеспечить, например, мощный восходящий поток. В этих условиях воздушный винт является ускорителем (катализатором) возникновения смерча в восходящем потоке.
В этом случае правильнее говорить о том, что воздушный винт является способствующим фактором. Используя электронную аналогию, можно его сравнить с задающим генератором немодулированных колебаний, после которого стоит усилитель мощности (восходящий поток). При этом в потоке происходит усиление и преобразование (нелинейная операция), которая превращает немодулированные колебания в амплитудно-модулированные с помощью лопастей винта.
В случае гребного винта усилителя мощности нет. В нем нет необходимости, так как сам винт может обеспечить необходимое соотношение между массами вращения и поступательного движения. Плотность воды в 1000 раз превышает плотность воздуха. При этом величина коэффициента модуляции, прежде всего, обуславливается ухудшением условий обтекания поверхностей-лопастей винта и затем эволюцией в пространстве оси водоворота. Здесь имеем достаточно высокий коэффициент модуляции (больший по сравнению с воздушным винтом).
Уменьшение глубины модуляции и является основной задачей данного предложения. Обычно это достигается увеличением сопротивления в прямой цепи. Напомним, что здесь используется аналогия, предназначенная для привлечения отработанных практикой приемов.
Кратко сформулируем действия, необходимые для выполнения способа:
1) ориентация относительно диска винта (выбор необходимого зазора),
2) ориентация относительно оси винта (выбор достаточного радиуса),
3) определение необходимой глубины (высоты) воздействия на воздушный поток,
4) определение необходимой системы вихревых образований, компенсирующих друг друга,
5) формирование массы каждого образования, соблюдая баланс энергий,
6) закручивание образований в одном направлении до необходимой скорости,
7) ориентация образований относительно друг друга.
Определим требования к устройству, расположенному над винтом.
Перегораживающие устройства должны соответствовать следующему:
1) форма перегородки (сечение по радиусу винта) должна учитывать степенное наращивание вращающейся массы воздуха при перемещении от центра к периферии винта, при этом нижняя, кромка должна иметь скос, учитывающий уход лопасти по вертикали;
2) форма перегородки - подобие прямоугольной трапеции (верхнее основание не параллельно нижнему, меньшая боковая сторона приближена к оси;
3) упрощенная форма перегородки - прямоугольный треугольник (больший катет является основанием, меньший катет расположен на периферии;
4) упрощенная форма перегородки - это радиальная система прямоугольников, пересеченная наклонной плоскостью при наличии симметрии слева и справа и возвышения на задней половине диска (его периферии);
5) расположение перегородок относительно оси винта симметричное, при этом одна из перегородок монтируется в диаметральной плоскости (она может иметь наибольшую высоту и площадь);
6) возможно использование одной перегородки, расположенной в диаметральной плоскости;
7) наименьшее количество перегородок определяется количеством лопастей, при этом для 2-лопастного несущего винта - 2 перегородки, расположенные в диаметральной плоскости, под углом в 180 град., для 3-лопастного винта - 3 перегородки, под углом в 120 град., для 4-лопастного винта - 4 перегородки, под углом 90 град. и т.д.;
8) наименьшее количество перегородок помогает расчленить общее вихревое образование на составляющие (лопастные жгуты), каждая из которых деформируется (прерывается) перегородкой и чем выше последняя, тем на большей длине жгута происходит деформация;
9) увеличение количества перегородок приводит к уменьшению закрутки потока над винтом и к увеличению сопротивления движению потока (оптимальное решение - компромисс),
10) профилирование стенки перегородки - удобное для обтекания (профиль: авиационный, сегментный и т.п.);
11) наибольшая длина перегородки равна радиусу винта и ограничивается жесткостью конструкции, (размер охвата площади диска винта);
12) наименьшая длина перегородки определяется допустимой минимальной степенью уменьшения закрутки потока над винтом (см. фиг.2);
13) наибольшая высота перегородки ограничивается допустимым сопротивлением набегающего потока при горизонтальном движении;
14) наименьшая высота перегородки определяется допустимой (минимальной) степенью уменьшения закрутки потока над винтом;
15) при перемещении от центра к периферии диска винта высота перегородки должна увеличиваться, так как увеличивается вращающаяся масса, при этом эффективность устройства повышается;
16) система перегородок крепится в двух кольцах, в центральном и в периферийном, при этом центральное кольцо закреплено на штоке (штанге), проходящем через полость вала несущего винта (возможная конструкция);
17) зазор между системой перегородок и диском несущего винта вертолета выполняется с учетом работы автомата перекоса и вертикального ухода лопастей винта, особенно их концевых частей;
18) система перегородок должна быть съемной и монтироваться на вертолете при работе на пожарах, в горной местности и при выполнении специальных заданий.
Уточним физическую модель воздушного винта. Для идеального винта (носитель отсутствует) имеем две конусообразные области, имеющие одинаковые объемы и геометрию (пусть среда неподвижна). Центром разрежения является центр диска винта. Равнодействующий вектор градиента давления области пониженного давления для вертолета направлен сверху вниз: от пространства G нормальным давлением к центру винта. Основание вектора прецессирует.
Равнодействующий вектор градиента давления области повышенного давления направлен снизу вверх, к центру винта: от пространства с повышенным давлением к центру винта. Основание вектора прецессирует. При отсутствии движения по горизонтали и смерча указанные векторы равны по модулю (пренебрегаем выталкивающей силой).
По мере перемещения от оси винта к периферии (в плоскости диска) вращающаяся масса воздуха увеличивается в соответствии с увеличением вращающего момента, Мкр˜Д5 (см. фиг.2) точнее с величиной, силы от момента, F˜Д4, т.е. по параболе четвертого порядка. По такой же зависимости должна увеличиваться высота перегородки. Ее конструкция должна быть подобной веслу (система весел, закрепленных в центральной втулке. Такое "весло" должно тормозить вращающуюся периферийную массу воздуха и иметь достаточную жесткость. Поломка "весла" недопустима.
Короткое "весло" неэффективно, так как основная вращающаяся масса находится на периферии. "Весло" с длиной, равной радиусу винта, потребует увеличения зазора между винтом и системой перегородок. Последнее также снизит эффективность. Учитывая изложенное, реальное поле скоростей конкретного винта (поперечную эпюру средних окружных скоростей), а также величину допустимого зазора, можно выбрать оптимальную длину перегородки.
Конструкция устройства может состоять из постоянного основания и комплекта сменных перегородок. Она должна позволять использовать как различное количество перегородок, так и разную их длину и форму (в зависимости от степени опасности выполняемой работы). Такая конструкция позволит выбрать оптимальный вариант, набрав статистический материал. Это устройство может выполнять функцию защиты винта от механических повреждений. Форма концевой части перегородки (ее нижняя часть) должна учитывать подъем лопасти при раскрутке, т.е. иметь скос. Постановка даже одной перегородки (например, в диаметральной плоскости) дает ощутимый эффект.
При возникновении смерча центр пониженного давления (разрежения) смещается вверх, модуль вектора избытка давления уменьшается из-за ухудшения условий обтекания лопастей, а угол прецессии вектора недостатка давления увеличивается за счет увеличения вращающейся массы над винтом.
Формирующие устройства должны соответствовать следующему.
1. Форма ячейки - усеченный конус, обращенный меньшим основанием к винту (упрощенный вариант - полый цилиндр).
2. Расположение ячеек относительно оси винта - симметричное.
3. Профилирование стенки ячейки: для наружной поверхности удобное для обтекания (профиль - авиационный, сегментный и т.п.), для внутренней поверхности - удобное для закрутки (подобие многозаходной резьбы) и для обтекания.
4. Расположение ячеек может быть как однорядным, так и многорядным (оси ячеек одного ряда располагаются на одной окружности с центром на оси винта).
5. Устройство может иметь одну центральную ячейку и один (несколько) рядов периферийных ячеек.
6. Количество ячеек с увеличением числа лопастей должно увеличиваться.
7. Наименьшее количество ячеек определяется количеством лопастей: для 2-лопастного винта - 2, для 3х-лопастного - 3, для 4-лопастного - 4.
8. Наибольшее количество ячеек ограничивается допустимым сопротивлением потоку воздуха.
9. Расположение ячеек в ряду - вплотную, до заполнения ряда.
10. Количество ячеек в ряду определяется охватываемой устройством площадью диска, выбранной схемой и энергетическим балансом.
11. При переходе от центрального ряда к периферийному объем ячейки должен уменьшаться, так как увеличивается кинетическая энергия вращения.
12. Вследствие уменьшения необходимой массы (объема) сечение и высота ячейки должны также уменьшаться для периферийных ячеек.
13. Наименьшая высота ячейки определяется нижним допустимым пределом уменьшения интенсивности образования смерча (пульсациями подъемной силы, крутящего и изгибающего моментов).
14. Наибольшая высота ячейки определяется верхним допустимым пределом увеличения полного аэродинамического сопротивления.
15. Зазор между лопастью и устройством ограничивается с двух сторон: его наименьшая величина определяется условиями обтекания воздухом поверхностей лопасти (допустимой величиной снижения подъемной силы), его наибольшая величина ограничивается снижением эффективности устройства (вихревые образования способны огибать препятствия)
Профиль стенок обусловлен закруткой и обтекаемостью. Необходимость закрутки по малому радиусу требует создания соответствующего крутящего момента. Гладкий цилиндр обладает такой способностью. Однако он потребует большей длины образующей. Ее длина значительно уменьшается если нарезать подобие многозаходной трубной резьбы. Форма наружной поверхности должна быть удобообтекаемой.
Рассмотрим возможные устройства. Вариант первый является простейшим, состоящим из радиальных, перегородок (фиг.4а, б). Их количество может быть различным: от одной до нескольких. Перегородки должны разделять пространство над винтом на сектора с одинаковой площадью. В этом случае составляющие, вихревые образования имеют одинаковую мощность и взаимно компенсируют друг друга. Степень компенсации увеличивается с увеличением числа перегородок и их высоты. Указанное можно объяснить и простым препятствием вращательному движению.
На фиг.4в изображена схема, обладающая большей жесткостью. Ее недостатком является различие мощности составляющих. Практический интерес представляет консольное закрепление устройства с использованием горизонтальной балки вертолета. В этом случае исключается необходимость внедрения в полость вала несущего винта. Уменьшение длины консоли осуществляется за счет расположения перегородок над задней половиной диска винта. В качестве простейшего варианта возможна конструкция, состоящая из одной диаметральной перегородки, нависающей над периферийной частью винта.
Указанная простейшая система подобна килю. Она расположена в самом нужном месте. Ее конструкция надежна и не требует больших затрат. Однако она нависает над периферийной частью винта, имеющей наибольший вертикальный уход. На этапе опытно-конструкторских работ (во избежание возможной катастрофы) автор настоятельно рекомендует и требует ограничиться уменьшением только вращающейся присоединенной массы воздуха, т.е. между перегородкой и винтом должен существовать не только зазор по горизонтали, но и по вертикали (перегородка не должна доходить до винта). После набора статистического материала (летные испытания) может оказаться, что этого достаточно и не надо заходить в пространство над винтом.
Килевая перегородка может крепиться на двух опорах горизонтальной балки вертолета, при соприкосновении с лопастью винта уходить назад и вверх, не разрушая лопасть (перегородка должна разрушаться быстрее). Необходимо быть готовым к увеличению вращающего момента с вертикальной осью.
Вариант второй состоит из четырех цилиндров, размещенных вокруг оси винта. Вместо цилиндров могут быть усеченные конусы. Их центры лежат на одной окружности. Конструкция симметрична. Стенки цилиндров касаются друг друга.
Вариант третий состоит из одного центрального цилиндра, соосного с винтом и нескольких одинаковых периферийных цилиндров, центры которых размещены на одной окружности. Их стенки могут касаться друг друга и центрального цилиндра. Это схема однорядная. Возможны многорядные устройства. Вместо цилиндров возможно применение усеченных конусов.
Установим закономерность уменьшения площади поперечного сечения ячейки - цилиндра с увеличением ее отстояния от оси винта (вариант третий, схема однорядная). При этом рассматриваем идеальный винт. Отсутствует скос воздушного потока. Влиянием носителя пренебрегаем. Лопасть рассматриваем как крыло с постоянным углом атаки. Цилиндры имеют одинаковую высоту.
Энергия вращения центральной составляющей должна быть несколько меньше суммы энергий вращения периферийных составляющих.
1. Исходя из указанного принципа, должно выполняться равенство
где Ец - энергия центрального образования, Eп - энергия периферийного образования, N - количество периферийных образований,
К - коэффициент, учитывающий долю энергии, приходящуюся на компенсацию центрального образования. При этом выполняется равенство кинетических энергий вращения периферийных образований
В равенствах 8 и 9 используется только энергия вращения, создаваемая тангенциальной проекцией вектора градиента давления.
2. Уравнение 8 представим подробнее
где 
кинетическая энергия вращательного движения, ω - угловая скорость вращения массы образования, I - момент инерции образования.
3. Учтем, что масса образования, равна произведению объема на плотность 
где ρ - плотность, V - объем, S - площадь поперечного сечения, 
- длина образования.
4. Момент инерции образования - цилиндра с учетом п.3 имеет вид
для периферийного образования - 
для центрального образования - 
где Рц и Rп - радиус центральной и периферийной ячейки соответственно.
5. Подставляя формулы 12 и 13 в уравнение 10, получим равенство
6. Скорость вращения воздуха в ячейке зависит от величины касательной силы (проекции вектора градиента давления на плоскость диска винта), приложенной к внутренней поверхности
где Мвр - вращающий момент винта в указанной точке, r - расстояние от оси винта до стенки ячейки (наиболее удаленная точка внутренней поверхности цилиндра), n - скорость вращения винта
7. Угловая скорость вращения воздуха в ячейках имеет вид:
для центральной 
для периферийной 
8. Учитывая 17 и 18, формула 14 преобразуется к виду:
9. Касательная сила передает вращение массе воздуха через сопротивление между слоями 
где Uвр - линейная скорость вращения, S - сечение ячейки, Сх - коэффициент трения. 10. Решая уравнение 20 относительно скорости, получим:
11. Подставляя 21 и 22 в уравнение 19, сокращая и извлекая квадратный корень, получим: 
Задаваясь значениями К=0,25, N=8 и решая уравнение 23, получим
На фиг.5 представлена система формирующих ячеек гребного винта. Для воздушного винта необходимо использовать укороченные перегородки совместно с системой сжатого воздуха. Последняя включает источник сжатого воздуха, запорный вентиль, трубопровод и сопло - отверстие. Сжатый воздух, выходящий из сопла, должен быть продолжением перегородки. Изменяя профиль отверстия, можно изменять как форму, так и направление струи сжатого воздуха. Перегораживающее и формирующее устройство может содержать несколько сопел, подключенных параллельно к источнику сжатого воздуха. При этом вентиль включен в общую часть трубопровода.
Источник сжатого воздуха должен иметь мощность в течение одного импульса, примерно равную мощности вращающегося воздушного потока над или перед винтом, приходящуюся на воздушную часть перегородки. В случае, если его мощность окажется несколько меньше, то такая перегородка должна уменьшить как массу вращающегося воздуха, так и степень падения летательного аппарата.
Очень важна правильная ориентация перегородки относительно вращающегося потока. Наличие согласной составляющей приведет к обратному результату, т.е. к усилению вращения. Симметричное расположение перегородок относительно оси несущего винта не создает паразитных моментов вращения аппарата. Они должны компенсировать друг друга. Расположение, перегородки на горизонтальной балке (в районе винта управления) создает указанный момент. Последнее усложняет управление летательным аппаратом.
Отсутствует необходимость в создании значительного запаса энергии у источника сжатого воздуха, так как такая система является аварийной и используется редко (в исключительных случаях). Замена или подзарядка баллонов с сжатым воздухом должна производиться на земле, в период регламентных работ.
Использование сжатого воздуха не является новым в техническом отношении. Оно отработано. В качестве примеров можно привести следующее. Продувка главного балласта в подводных аппаратах, т.е. вытеснение забортной воды и увеличение подъемной силы, действующей на аппарат. Запуск дизельного двигателя в аварийном режиме, когда не действует обычная система запуска от стартера (электродвигателя). Перечень примеров можно продолжить. Однако использование сжатого воздуха для исправления аэродинамических характеристик воздушного винта является пионерным.
Включение системы в момент зарождения смерча позволяет обойтись меньшим количеством энергии, потребляемой от источника сжатого воздуха. В таком режиме способна работать система автоматической стабилизации подъемной силы, реагирующая на ее производную. При этом в обычном режиме полета такая система должна быть отключена. Она включается при подлете к перечисленным опасным участкам траектории.
Очевидно, система стабилизации подъемной силы летательного аппарата должна иметь как световую, так и звуковую сигнализацию о необходимости срочного выхода из опасного участка траектории полета.
Длина жесткой части перегородки и необходимая мощность источника сжатого воздуха связаны между собой. Чем длиннее первая, тем меньше вторая. Однако эта зависимость в значительной степени определяется расположением (близостью) перегородки к периферийной части диска винта, где сосредоточена основная вращающаяся масса воздуха. С учетом этого система, расположенная на конце горизонтальной балки, должна иметь меньшую длину перегородки и меньшую мощность источника сжатого воздуха.
Рассмотренная система является предпочтительной и составляет четвертый вариант устройства. Его особенностью является ориентация перегородки-сопла по диаметральной плоскости вертолета. В дальнейшем, по мере уточнения аэродинамических характеристик винта возможно смещение сопла от диаметральной плоскости на некоторый угол, навстречу вращению винта. Этот вариант может быть представлен и устройством, состоящим из нескольких сопел, разнесенных по вертикали. Последнее в процессе испытаний поможет установить их оптимальное количество. Это замечание относится ко всем вариантам.
В качестве пятого варианта может быть сочетание первого и четвертого. Здесь две перегородки своими соплами направлены встречно. Одна крепится на штоке, проходящем по оси несущего винта. Другая закреплена на задней, верхней точке горизонтальной балки.
Во всех вариантах использование сжатого воздуха позволяет применять консольное закрепление перегородок, сокращая их длину. В результате такие устройства становятся надежными. Для простоты изложения перечисленные устройства разделим на две группы: центральные - перегородки крепятся на штоке, совмещенном с осью винта, периферийные - крепление по варианту № 4 и на фюзеляже или крыле самолета.
Шестым вариантом может быть перегородка, размещенная в диаметральной плоскости вертолета. Она крепится в двух точках: на штоке (ось несущего винта) и на конце горизонтальной балки. Сопла распределяются вдоль верхней кромки перегородки и предназначаются для увеличения ее эффективной высоты. Аналогичная конструкция может быть использована и для самолета. При этом точками крепления перегородки могут быть элементы фюзеляжа или крыла по обе стороны от винта.
В качестве седьмого варианта может быть конструкция, в которой несколько перегородок расположены по одну сторону от винта. Для вертолета их общий кронштейн размещен на верхней (задней) точке горизонтальной балки. Перегородки-сопла монтируются для вертолета над винтом, для самолета - перед винтом. Они направлены по радиусу винта (возможно смещение на некоторый угол навстречу его вращения. Предпочтительна схема, при которой перегородки не нависают над винтом. Для самолета возможно размещение перегородок с двух (диаметрально-противоположных) сторон диска винта.
Применение сжатого воздуха возможно и для формирующих устройств. Оно помогает облегчить их конструкцию, что очень важно для авиации. Эффективность устройства значительно повышается, так как струя сжатого воздуха, закрученная спиралевидным трубопроводом формирующего устройства, направляется встречно набегающему потоку. При этом работа устройства приобретает активный характер. Перегораживающее устройство также может работать в активном режиме при условии отклонения сопла от радиального направления навстречу вращению воздушного потока.
Попытаемся определить (приблизительно) необходимое давление и объем источника сжатого воздуха. Считаем, что система предупреждения образования вихря над несущим винтом вертолета включается на начальной стадии развития. При этом масса вихря составляет часть от массы потока воздуха, проходящего через диск винта (коэффициент К1). В соответствии с коэффициентом К1 распределяется энергия, полученная вихрем от винта. Считаем, что энергия противодействия должна составлять от энергии вихря только часть (коэффициент К2).
Упрощая, считаем: 1) потери напора в трубопроводе пренебрежимо малы, 2) весь запас энергии сжатого воздуха расходуется на осуществление одного импульса воздействия длительностью в 1 сек. 3) Энергия вихря сосредоточена в одном кубическом сантиметре объема, 4. Энергия источника сжатого воздуха приложена к грани площадью в один квадратный сантиметр, 5. вихрь под воздействием импульса, отклоняясь от движения по окружности, движется по радиусу (наиболее вероятное направление) к центру вращения винта, расстояние L≃R. 6. коэффициент полезного действия движителя вертолета обозначим символом η.
С учетом изложенного выражение для необходимого давления источника сжатого воздуха имеет вид:
Задаваясь значениями: К1=0,1, К2=0,5, η=0,5, мощность энергетической установки N=1000 л.с. (1 л.с. = 75 кг·м·/с.), L=5 м, получим значение давления р=370 кг/см2. Эта цифра используется в указанных примерах (продувка балласта, запуск двигателя}. Приведенный расчет предназначен только для определения порядка цифр (для оценки реальности предложения). Практический расчет (этап технического проектирования) потребует строгого уточнения используемых данных.
Заметим, что если энергия противодействия для перегораживающих устройств может быть несколько меньше энергии вихря (достаточно изменить его направление), то энергия формирования должна превышать энергию вихря. В этом заключается второй недостаток формирующих устройств. Используя известную формулу для относительной поступи винта
где n - скорость вращения винта, Д - диаметр винта, Up - скорость осевого перемещения винта и предполагая меньший объем несжатого воздуха по сравнению с объемом вихря, получим формулу для объема
Задаваясь значениями: n=240 об/мин.=4 об/с, Д=10 м, λр=0,1 - получим значение объема в 400 м3 или объема сжатого воздуха 1 м3.
В случае многократного воздействия объем пропорционально возрастает, т.е.
где N′ - число воздействий.
Попытаемся определить признаки начало воздействия (открытие вентиля системы сжатого воздуха) в ручном режиме. Оператор находится в дежурном режиме, так как знает, что вертолет находится в опасной зоне. Оператор знает, что эффективно можно бороться с вихрем в момент его зарождения. В период развития мощность источника сжатого воздуха может оказаться недостаточной.
Предполагается, что двигатель работает при постоянной подаче топлива. Характер обтекания лопастей начинает изменяться. Все большие массы воздуха вовлекаются винтом во вращательное движение, т.е. не пересекаются, а скользят по поверхностям лопастей. Падает тормозной момент. Обороты винта возрастают, увеличивая вращающий момент. Скольжение винта относительно вертикального потока увеличивается. Уменьшается подъемная сила. Вертолет снижается.
При наличии визуализации воздуха (дым, туман, пыль и т.п.) зарождение вихря можно заметить и открыть вентиль. В отсутствие визуализации необходимо по приборам внимательно следить за высотой и скоростью вращения несущего винта. При этом речь идет об аномальных отклонениях. Обычные флуктуации не должны приниматься во внимание. Последнее для опытного экипажа не является проблемой. Уменьшение высоты вертолета и увеличение скорости вращения несущего винта при постоянной подаче топлива является сигналом для открывания вентиля.
Воздушные "ямы", имеющие место при горизонтальном пилотировании, не рассматриваются, так как при таком режиме вихрь не является устойчивым образованием. Для вертолета наиболее опасен режим зависания. Визуализация воздушного потока над или перед винтом является актуальной задачей. Она может быть выполнена с помощью системы сжатого и подкрашенного воздуха.
Дадим краткое описание способов и устройств, сформулированных в формуле изобретения.
П.1 - способ для восстановления подъемной, тяговой силы воздушного винта, использующий струи или струю сжатого воздуха, направленную от периферии винта к его центру, параллельно его площади (диску). Способ состоит из действий: струю сжатого воздуха разгоняют до скорости, примерно равной и более скорости вращения винта; дозируют массу струи так, чтобы ее кинетическая энергия примерно равнялась кинетической энергии зарождающегося среднего вихря; формируют струю в виде подобия перегородки, пересекающей преимущественно периферийную часть винта и возвышающейся над ним на высоту среднего по интенсивности зарождающегося вихря; при необходимости повторяют перегораживание до требуемого уменьшения интенсивности вращения вихря.
П.2 - способ, в котором струя сжатого воздуха имеет составляющую, направленную встречно вращению винта.
П.3 - способ, в котором струя сжатого воздуха имеет составляющую, направленную к винту.
П.4 - способ, в котором струи или струя направлена от центра винта к его периферии, Остальные действия аналогичны действиям п.1.
П.5 - способ, основанный на способе п.4. При этом в струе имеется составляющая, направленная встречно вращению винта.
П.6 - способ, основанный на способе п.4. При этом в струе имеется составляющая, направленная к винту.
П.7 - способ для восстановления подъемной, тяговой силы воздушного винта, использующий струи сжатого воздуха, направленные к диску винта. Над или перед винтом вихревое образование временно разбивают струями сжатого воздуха на примерно одинаковые вихревые образования, каждое из которых своим основанием занимает сектор диска (площади) винта. При этом направляют струи перпендикулярно его диску (плоскости) с высоты среднего по интенсивности вихревого образования, образуя подобие полых цилиндров, разгоняют струи до скорости, превышающей скорость вращения винта, Дозирут массу струй так, чтобы их общая кинетическая энергия превышала кинетическую энергию среднего по интенсивности зарождающегося вихря. При необходимости повторяют разбиение струями сжатого воздуха до требуемого уменьшения интенсивности вращения вихревого образования.
П.8 - способ для восстановления подъемной, тяговой силы воздушного винта, использующий струи сжатого воздуха, направленные к диску винта. Над или перед винтом летательного аппарата вихревое образование временно разбивают струями сжатого воздуха на центральное вихревое образование и на ряд примерно одинаковых периферийных образований. При этом основания осей периферийных образований лежат на одной окружности с центром на оси винта. Направляют струи перпендикулярно диску винта, образуя подобие полых цилиндров. Разгоняют струи до скорости, превышающей скорость вращения винта. Дозируют массу струй так, чтобы кинетическая энергия струй превышала кинетическую энергию формируемого вихря. Раскручивают вихревые образования в одном направления и дозируют их массу так, чтобы кинетическая энергия центрального образования была меньше суммы кинетических энергий вращения периферийных образований на величину кинетической энергии взаимодействия внутри ряда. Формируют по высоте "полые цилиндры" так, чтобы она примерно равнялась высоте среднего по интенсивности зарождающегося вихря. При необходимости повторяют процесс разбиения струями сжатого воздуха до необходимого уменьшения интенсивности вращения вихря и восстановления подъемной, тяговой силы воздушного винта.
П.9 - устройство для восстановления подъемной, тяговой силы воздушного винта основано на способе, п.1. В устройстве имеется одна или несколько радиальных коротких перегородок, имеющих на внутреннем конце сопло-отверстие для выхода сжатого воздуха. При этом струя сжатого воздуха является продолжением перегородки. Сопло трубопроводом соединяется через запорный вентиль с источником сжатого воздуха. Запорный вентиль регулирует подачу сжатого воздуха и расположен в непосредственной близости от оператора. Перегородка или перегородки крепятся консольно на кронштейне в верхней и дальней точке горизонтальной балки (концевая балка) у одновинтовой схемы вертолета. Для поперечной схемы вертолета (два несущих винта) крепление перегородок осуществляется к верхней точке вертикального штока, расположенного на корпусе между винтами. У самолета одновинтовой модели перегородка или перегородки крепятся консольно к штоку, расположенному на фюзеляже. У многовинтового самолета крепление перегородки аналогичное. При этом шток расположен на крыле. Оси сопел-отверстий расположены параллельно диску винта, а плоскость перегородки - перпендикулярно диску винта.
П.10 - устройство по п.9, в котором ось отверстия сопла перегородки повернута от радиального направления навстречу вращению винта.
П.11 - устройство по п.9, в котором ось отверстия сопла перегородки повернута к винту.
П.12 - устройство, аналогичное устройству п.9. Отличия следующие. Сопло-отверстие перегородки направлено к периферии винта по его радиусу. Устройство по п.9 имеет сопло-отверстие, направленное к оси винта. Крепление перегородки или перегородок осуществляется к штоку, проходящему через продольную полость вала несущего винта.
П.13 - устройство по п.12, в котором ось отверстия сопла перегородки повернута от радиального направления навстречу вращению винта.
П.14 - устройство по п.12, в котором ось отверстия сопла перегородки повернута к винту.
П.15 - устройство для восстановления подъемной, тяговой силы воздушного винта основано на способе, п.7. В устройстве имеется несколько колец над или перед винтом. Кольца занимают одинаковые сектора диска (площади) винта. Кольца имеют сопла-отверстия, обращенные к винту. Кольца расположены в плоскости, параллельной диску винта. Кольца могут состоять из частей, каждая из которых через свой трубопровод подключена параллельно к общему источнику сжатого воздуха. В общем трубопроводе смонтирован запорный вентиль, позволяющий одновременно подавать сжатый воздух ко всем частям колец. Струи сжатого воздуха, направленные к винту, образуют подобие полых цилиндров. Кольца скреплены между собой и имеют консольное закрепление к штоку, проходящему через продольную полость вала винта. Кольца могут крепиться к кронштейнам, установленным на фюзеляже (одновинтовая модель) или на крыле (многовинтовая модель). Оси колец расположены на одной окружности с центром на оси винта.
П.16 - устройство для восстановления подъемной, тяговой силы воздушного винта основано на способе п.8. В устройстве имеется центральное кольцо, соосное с винтом, и несколько периферийный колец, расположенных своими центрами на одной окружности, соосной с винтом. Кольца расположены над или перед винтом в плоскости, параллельной диску винта. Периферийные кольца имеют одинаковый диаметр и он меньше диаметра центрального кольца. Остальное в устройстве аналогично п.15.
Литература
1. Басин А.М., Миниович И.Я. Теория и расчет гребных винтов. - Л.: Судпромгиз, 1963.
2. Бушмарин О.Н. Закрученная струя в спутном потоке жидкости той же плотности. - Л.: Труды ЛПИ, № 176, 1955.
3. Мясищев В.И. (ред.) Физические основы подводной акустики. - М.: Сов. Радио, 1955.
4. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники, часть 3 (Теория электромагнитного поля). - М.Л.: Госэнергоиздат, 1959.
5. Холмс. Т. Знаменитые самолеты и вертолеты, (справочник), пер. с англ. Мамаева А.И. - М.: Астрель, ACT, 2002.
6. Пашуков Е.Б. Способ и устройство улучшения гидродинамических характеристик гребного винта (вар.) - заявка на изобретение № 20041104 19/11 (011197) от 06.04.2004.
7. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Физматгиз, 1960.
1. Способ для восстановления подъемной силы воздушного винта, отличающийся тем, что воздушное вихревое образование над диском винта временно перегораживают по меньшей мере одной струей сжатого воздуха по радиусу от периферии воздушного винта к оси вращения, параллельно его среднему диску, разгоняют струю до скорости, примерно равной скорости вращения воздушного винта, дозируют массу струи так, чтобы ее кинетическая энергия примерно равнялась кинетической энергии зарождающегося среднего вихря, формируют струю в виде подобия перегородки, пересекающей преимущественно периферийную часть диска и возвышающейся над ней на высоту среднего по интенсивности зарождающегося вихря, до требуемого уменьшения интенсивности вращении вихревого образования и восстановления величины подъемной силы винта.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что струя сжатого воздуха имеет составляющую, направленную встречно вращению винта.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что струя сжатого воздуха имеет составляющую, направленную к винту.
4. Способ для восстановления подъемной силы воздушного винта, отличающийся тем, что воздушное вихревое образование над диском винта временно перегораживают по меньшей мере одной струей сжатого воздуха по радиусу винта от его оси к периферии, параллельно его плоскости, разгоняют струю до скорости, примерно равной скорости вращения винта, дозируют массу струи так, чтобы ее кинетическая энергия превышала кинетическую энергию зарождающегося среднего вихря, формируют струю в виде подобия перегородки, пересекающей преимущественно периферийную часть диска и возвышающейся над ней на высоту среднего по интенсивности зарождающегося вихря, до требуемого уменьшения интенсивности вращения вихревого образования и восстановления величины подъемной силы винта.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что струя сжатого воздуха имеет составляющую, направленную встречно вращению винта.
6. Способ по п.4, отличающийся тем, что струя сжатого воздуха имеет составляющую, направленную к винту.
7. Способ для восстановления подъемной силы воздушного винта, отличающийся тем, что воздушное вихревое образование над диском винта временно разбивают струями сжатого воздуха на примерно одинаковые воздушные вихревые образования, каждое из которых своим основанием занимает сектор диска воздушного винта, при этом направляют струи в виде полых цилиндров перпендикулярно к диску винта с высоты среднего по интенсивности вихревого образования, разгоняют струи до скорости, превышающей периферийную линейную скорость вращения винта, дозируют массу струй так, чтобы их общая кинетическая энергия превышала кинетическую энергию среднего по интенсивности зарождающегося вихря до требуемого уменьшения интенсивности вращения вихревого образования и восстановления величины подъемной силы винта.
8. Способ для восстановления подъемной силы воздушного винта, отличающийся тем, что воздушное вихревое образование над диском винта временно разбивают струями сжатого воздуха на центральное воздушное вихревое образование и на ряд примерно одинаковых периферийных воздушных вихревых образований, оси которых на одной окружности с центром на оси винта, при этом направляют струи перпендикулярно к среднему диску винта, образуя фигуры полых цилиндров, разгоняют струи до скорости вращения винта, дозируют массу струй так, чтобы кинетическая энергия струй превышала кинетическую энергию формируемого вихря, раскручивают вихревые образования так, чтобы кинетическая энергия вращения центрального воздушного вихревого образования была меньше суммы кинетических энергий вращения периферийных воздушных вихревых образований на величину кинетической энергии взаимодействия внутри ряда, высоту фигур полых цилиндров формируют по высоте так, чтобы она примерно равнялась высоте среднего по интенсивности зарождающегося вихря до требуемого уменьшения интенсивности вращения вихревого образования и восстановления величины подъемной силы винта.
9. Устройство для восстановления подъемной силы воздушного винта, отличающееся тем, что над винтом установлена одна или несколько перегородок, имеющих на конце, обращенном к оси винта, сопло системы сжатого воздуха, состоящей из источника, трубопровода и вентиля, источник сжатого воздуха трубопроводом соединен с соплом, при этом трубопровод может быть перекрыт вентилем, сопло имеет отверстие, профилированное так, чтобы струя сжатого воздуха, выходящая из него, являлась продолжением перегородки, направленной по радиусу винта, перпендикулярно к его диску, перегородка имеет консольное закрепление к штоку.
10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что ось отверстия сопла перегородки сдвинута от радиального направления навстречу вращению винта.
11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что ось отверстия сопла перегородки повернута к диску винта.
12. Устройство для восстановления подъемной силы воздушного винта, отличающееся тем, что над винтом установлена одна или несколько перегородок, имеющих на конце, обращенном к периферии винта, сопло системы сжатого воздуха, состоящей из источника, трубопровода и вентиля, при этом источник сжатого воздуха трубопроводом соединяется с соплом, трубопровод может быть перекрыт вентилем, сопло имеет отверстие, профилированное так, чтобы струя сжатого воздуха, выходящая из него, являлась бы продолжением перегородки, направленной по радиусу винта, перпендикулярно к его диску, и достигала его периферийную часть, перегородка имеет консольное закрепление к штоку, проходящему через продольную полость вала винта.
13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что ось отверстия сопла перегородки повернута от радиального направления навстречу вращению винта.
14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что ось отверстия сопла перегородки повернута к винту.
15. Устройство для восстановления подъемной силы воздушного винта, отличающееся тем, что над винтом установлены несколько колец, занимающих одинаковые сектора диска винта и оси которых лежат на одной окружности с центром на оси винта, кольца набраны из частей, имеющих сопла, обращенные к диску винта и подключенные параллельно трубопроводами к источнику сжатого воздуха, при этом в общей части трубопровода вмонтирован вентиль, позволяющий одновременно пропускать сжатый воздух ко всем соплам, кольца расположены в плоскости, параллельной среднему диску винта, скреплены между собой и имеют консольное закрепление к штоку, проходящему через продольную полость вала винта.
16. Устройство для восстановления подъемной силы воздушного винта, отличающееся тем, что над винтом установлены центральное кольцо и несколько периферийных колец, оси которых перпендикулярны среднему диску винта и лежат на одной окружности с центром на оси винта, при этом все кольца находятся в плоскости, параллельной среднему диску винта, периферийные кольца имеют одинаковый радиус, который меньше радиуса центрального кольца, кольца набраны из частей, имеющих сопла, обращенные к диску винта и подключенные параллельно трубопроводами к источнику сжатого воздуха, при этом в общей части трубопровода вмонтирован вентиль, позволяющий одновременно пропускать сжатый воздух ко всем соплам, кольца скреплены между собой и имеют консольное закрепление к штоку, проходящему через продольную полость вала винта.
