Устройство для создания подъемной силы

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям движителей для создания подъемной силы. Устройство состоит из однодискового открытого центробежного колеса с двухсторонним входом воздушной среды и с прямыми радиальными лопатками (1), неподвижного выпукло-вогнутого кольцевого корпуса (2). Корпус представляет собой поверхность вращения, ограниченную верхней и нижней окружностями, с острым углом выхода потока среды по отношению к горизонтали внутренней поверхности наружной кромки корпуса. На внутренней поверхности корпуса установлены спрофилированные лопатки спрямляющего устройства (3), кронштейны (4) для крепления к корпусу подшипникового узла (5) привода центробежного колеса. Достигается повышение удельной тяги и уменьшение веса и габаритов устройства. 2 ил.

 

Изобретение относится к области авиации, в частности, к устройствам (движителям) для создания аэродинамической подъемной силы, и может быть применено в летательных аппаратах тяжелее воздуха с вертикальным взлетом или посадкой с вертикальным положением продольной оси при посадке.

Из уровня техники известен летательный аппарат вертикального взлета и посадки из описания изобретения к патенту RU 2515949 C2, кл. B64C 29/00, опубл. 20.05.2014, бюл. №14, известен аэродинамический движитель, содержащий корпус в виде цилиндрической камеры с плоской верхней крышкой, под корпусом закреплена нижняя крышка в виде конической поверхности вращения с установленным осевым воздухозаборником. Между корпусом и конической крышкой размещено кольцевое выходное сопло, в которое встроен спрямляющий аппарат. Внутри камеры находится центробежное колесо с прямыми радиальными лопатками.

Недостатком данного устройства является то, что у него недостаточно высокие энергетические характеристики, в частности, невысокая удельная тяга, что объясняется большими гидравлическими потерями при прохождении воздушной струи через спрямляющую решетку (аппарат) и кольцевое выходное сопло.

Из патента RU 2618355 C1, кл. B64C 29/00, опубл. 03.05.2017, бюл. №13, известен аэродинамический движитель, содержащий однодисковое открытое центробежное колесо с двухсторонним входом воздушной среды и с прямыми радиальными лопатками, неподвижный выпукло-вогнутый кольцевой корпус, выполненный в виде поверхности вращения некоторой кривизны, ограниченной верхней и нижней окружностями диаметров D1 и D соответственно, на внутренней (вогнутой) поверхности которого установлены радиальные плоские лопатки спрямляющей решетки, кронштейны в виде стержней для крепления к корпусу привода и подшипниковый узел привода, угол выхода а внутренней поверхности наружной кромки корпуса является острым (порядка 45°÷55°) по отношению к горизонтали, а сама внутренняя поверхность имеет некоторый радиус кривизны.

Это устройство наиболее близко по своей технической сути к предлагаемому изобретению (прототип).

В результате анализа известных аэродинамических движителей установлено, что для улучшения (увеличения) основного энергетического показателя -удельной тяги q=Т \ N

(где: Т - подъемная сила (тяга) движителя, N - потребляемая движителем мощность) необходимо, с одной стороны, увеличивать тягу при заданных габаритах устройства, с другой, - снижать потребляемую мощность за счет различных конструктивных мероприятий, что является серьезной научно-технической проблемой.

Технической задачей изобретения является повышение удельной тяги q устройства и уменьшение его массогабаритных показателей за счет снижения гидравлических потерь энергии воздушного потока в процессе ее передачи от движущихся механических частей движителя этому потоку.

Технический результат изобретения достигается тем, что в устройстве, включающем однодисковое открытое центробежное колесо с двухсторонним входом воздушной среды и с прямыми радиальными лопатками, неподвижный выпукло-вогнутый кольцевой корпус, выполненный в виде поверхности вращения некоторой кривизны, ограниченной верхней и нижней окружностями диаметров D1 и D соответственно, на внутренней (вогнутой) поверхности которого установлены радиальные профилированные лопатки спрямляющей решетки, кронштейны в виде стержней для крепления к корпусу привода и подшипниковый узел привода, угол выхода а (фиг. 1) внутренней поверхности наружной кромки корпуса является острым (порядка 45°÷55°) по отношению к горизонтали, а сама внутренняя поверхность имеет некоторый радиус кривизны.

Профилирование лопаток спрямляющей решетки существенно уменьшает по сравнению с прототипом местные гидравлические потери при движении кольцевого веерного потока среды при входе в спрямляющую решетку, т.е. уменьшается так называемый коэффициент смягчения входа η_в, оценивающий величину гидравлических потерь при входе потока в спрямляющую решетку (В.Н. Талиев Аэродинамика вентиляции. М: Стройиздат, 1979, с. 84-86), поскольку вместо плоской лопатки решетки с острым носком, применена лопатка с закругленным по радиусу г носком, спрофилированная по форме носка профиля крыла.

На фиг. 1 представлена схема устройства для создания подъемной силы, на фиг. 2 показан вид А фиг. 1,

Устройство состоит (фиг. 1) из одно дискового открытого центробежного колеса 1 с двухсторонним входом воздушной среды и с прямыми радиальными лопатками, неподвижного выпукло-вогнутого кольцевого корпуса 2, профилированных по форме носка профиля крыла лопаток спрямляющего устройства 3, кронштейнов 4, подшипникового узла 5 привода.

Уменьшение местных гидравлических потерь энергии потока (определяемых коэффициентом местного аэродинамического сопротивления ζ), обусловленных перестройкой поля скоростей и образованием на границах потока дополнительных вихрей, всегда приводит к увеличению кинетической энергии (а, стало быть, скорости υ отбрасываемого потока) и при заданном секундном расходе m отбрасываемой среды у наружной кромки корпуса 2 тяга устройства Т возрастет при той же потребляемой движителем мощности.

Следовательно, возрастет и удельная тяга q. Это следует из того, что согласно закону сохранения импульса тягу данного устройства можно выразить равенством . Однако, коэффициент ζ существенно зависит не только от угла поворота потока α, но и от коэффициента смягчения входа потока η_в (В.Н. Талиев Аэродинамика вентиляции. М.: Стройиздат, 1979, с. 86), отсюда следует, что чем меньше потери энергии при входе потока в решетку, тем выше тяга (подъемная сила) Т данного движителя, при заданных значениях секундного массового расхода m, потребляемой мощности N и постоянном радиусе кривизны R внутренней поверхности корпуса 2.

Оценочные расчеты показывают, что можно ожидать увеличение силы Т на 15-30%.

Устройство работает следующим образом. При вращении центробежного колеса 1 воздушный поток поступает в колесо сверху и снизу и по принципу центробежной машины под действием ее радиальных лопаток закручивается и выбрасывается с некоторой скоростью по боковой поверхности колеса, поджимаясь, огибает внутреннюю поверхность корпуса 2, проходит вдоль лопаток спрямляющего устройства 3 и выбрасывается в радиальном направлении из корпуса под углом к горизонтали α со скоростью υ.

При этом, согласно закону сохранения импульса, появляется тяга (подъемная сила) движителя Т, реализуемая через создание избыточного давления на внутренней поверхности корпуса 2 и разрежения на внешней поверхности за счет всасывающего эффекта верхней половины колеса 1, как результат суммарного воздействия элементарных объемов воздуха, движущихся по криволинейным траекториям под действием центробежных сил. Возникающий реактивный момент вращения компенсируется спрямляющим устройством 3. Уменьшаются местные гидравлические потери за счет профилирования носка лопаток, следовательно, увеличивается тяга (подъемная сила), возрастает удельная тяга q.

Экспериментально подтверждено, что максимальная величина подъемной силы Т достигается, при прочих постоянных параметрах, если будут выполнятся соотношения: ,.

Устройство для создания подъемной силы, содержащее неподвижный корпус с лопатками спрямляющего устройства, выполненный в виде выпукло-вогнутого диска, представляющего поверхность вращения некоторой кривизны, ограниченную верхней и нижней окружностями диаметров D1 и D соответственно, с острым углом α выхода потока по отношению к горизонтали внутренней поверхности наружной кромки корпуса и центробежное колесо, подшипниковый узел вала которого прикреплен к корпусу с помощью кронштейнов, а колесо выполнено с двухсторонним входом воздушной среды, отличающееся тем, что лопатки спрямляющего устройства выполнены с закругленным по радиусу r носком и спрофилированы по форме носка профиля крыла, что существенно уменьшает местные гидравлические потери и, соответственно, повышает удельную подъемную силу устройства.