Вертикальная аэродинамическая труба замкнутого рециркуляционного типа для воспроизведения свободного парения человека в воздухе
Изобретение относится к устройствам воспроизведения свободного парения в воздухе. Вертикальная аэродинамическая труба замкнутого рециркуляционного типа для воспроизведения свободного парения человека в воздухе содержит воздуховодные каналы и центральный канал с вертикальной полетной камерой с конфузором в ее основании, основные вентиляторы и систему терморегулирования, которая расположена в верхнем горизонтальном воздуховодном канале. Система терморегулирования выполнена в виде двух симметрично расположенных узлов терморегулирования, каждый из которых состоит из блока принудительной приточно-вытяжной вентиляции и блока теплообмена. Блок принудительной приточно-вытяжной вентиляции оснащен регулируемыми вентиляторами и выполнен с возможностью воздухообмена внутреннего объема аэродинамической трубы с атмосферой. Блок теплообмена оснащен теплообменными камерами, содержащими теплообменник-радиатор, связанный с внешним холодильным агрегатом, встроенные регулируемые вентиляторы теплообменника, и выполнен с возможностью притока нагретого воздуха из верхнего горизонтального воздухоотводящего канала и оттока охлажденного воздуха обратно в указанный канал. Коллекторные камеры и поворотные колена выполнены с жесткими концентричными перфорированными перегородками, образующими каналы. Основные вентиляторы снабжены спрямляющими лопатками и установлены в боковых обводных воздуховодных каналах. Электродвигатели основных вентиляторов размещены в кольцевых кожухах обтекателей с выхлопными патрубками для отвода нагретого воздуха в атмосферу. Изобретение направлено на повышение эффективности терморегулирования и воздухообмена при снижения гидравлических потерь. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к устройствам воспроизведения свободного парения в воздухе, а именно к вертикальным аэродинамическим трубам замкнутого рециркуляционного типа, и может быть использовано как для тренировки спортсменов, так и в качестве развлекательного аттракциона.
Поскольку подобные устройства работают достаточно продолжительное время, то важнейшим фактором при выборе конструкции вертикальной аэродинамической трубы является ее высокая энергоэффективность при сравнительно небольших габаритах. Известно, что для экономически выгодных вертикальных аэродинамических труб для имитации плавного и безопасного парения человека в воздухе необходимо свести к минимуму гидравлические сопротивления и бесперебойно приводить в движение достаточное количество воздуха комфортной температуры, при этом потребление мощности должно иметь низкий уровень.
Известна аэродинамическая труба замкнутого типа, которая содержит конфузор, рабочую зону, диффузор, обратный канал, вентиляторную установку и четыре поворотных колена с углом поворота потока 90°, с диффузорным участком между первым и вторым коленом (Аэродинамические трубы и газодинамические установки Научно-исследовательского центра им. Эймса NASA Выпуск №450 Г., ЦАГИ, ОНТИ, 1974 г., с. 11).
Недостатком известной конструкции являются большие гидравлические потери, связанные с нерациональностью компоновки. Первое и второе поворотные колена являются одними из основных источников гидравлических потерь в аэродинамическом контуре и основной причиной больших гидравлических потерь в диффузоре. Это связано с тем, что уменьшение гидравлических потерь в поворотных коленах требует уменьшения скорости потока в местах их расположения, для чего необходимо увеличивать степень расширения диффузора, что в свою очередь приводит к увеличению потерь полного давления в диффузоре. Кроме того, увеличение степени расширения диффузора требует увеличения его длины, что приводит к увеличению общих геометрических размеров аэродинамической трубы и материалоемкости конструкции.
Другим аналогом является конструкция аэродинамической трубы, которая содержит два вертикальных канала, полетную камеру в одном из каналов, а в обводном канале которой стационарно размещен основной вентилятор с двигателем (US2016288002, опубл. 06.10.2016).
Недостатком известной конструкции являются высокие гидравлические потери и низкая эффективность эксплуатации из-за отсутствия систем терморегулирования и второго обводного воздуховодного канала.
Наиболее близкой по своей технической сущности к настоящему изобретению является конструкция устройства для имитации затяжного прыжка с парашютом с вертикальной аэродинамической трубой замкнутого рециркуляционного типа, содержащая верхний и нижний воздуховодные каналы, два боковых вертикальных обводных воздуховодных канала и центральный канал с вертикальной полетной камерой, четыре поворотных колена, верхнюю и нижнюю коллекторные камеры, основные вентиляторы и систему регулирования (RU 2458825, опубл. 20.08.2012).
Два вентиляторных узла размещены в верхнем вертикальном воздуховодном канале и содержат по два расположенные друг с другом вентилятора. Предусмотрена система пассивного терморегулирования за счет наличия впускных и выпускных больших жалюзи в каждом возвратном канале и создания пониженного статического давления без использования дополнительных вентиляторов.
Коллекторные камеры и поворотные колена содержат поворотные направляющие лопатки.
Регулирование температуры воздушного потока осуществляется посредством открытия или закрытия соответствующих впускных или выпускных жалюзи (воздухообменных заслонок), что приводит к следующим нежелательным явлениям:
- крайне затруднительно поддержание необходимой температуры в автоматическом режиме регулирования, не вмешиваясь при этом в равномерное (ламинарное) течение воздушного потока;
- мощность потока в данном исполнении регулирования температуры расходуется на дополнительный энергоемкий воздухообмен;
- при работе на максимальных мощностных режимах, самых спортивных и энергоемких, когда требуется наилучшее качество и скорость потока, открытие воздухообменных заслонок на максимальную величину создает наибольшую неравномерность движения потока, что в случае эксплуатации недопустимо;
- мощность основных вентиляторных электродвигателей используется нерационально.
Недостатками известного устройства являются низкая эффективность эксплуатации и высокие гидравлические потери за счет низкоэффективной системы терморегулирования и воздухообмена в аэродинамической трубе, а также в результате высоких гидравлических потерь из-за нерационального расположения основных вентиляторных узлов, конструкций коллекторных камер и поворотных колен, содержащих поворотные направляющие лопатки, которые также увеличивают гидравлические потери.
Настоящее изобретение направлено на преодоление по крайней мере некоторых из вышеперечисленных недостатков уровня техники и обеспечивает технический результат, который заключается в повышении эффективности эксплуатации аэродинамической трубы за счет использования усовершенствованной системы терморегулирования и воздухообмена, а также снижения гидравлических потерь.
Технический результат достигается за счет того, что в вертикальной аэродинамической трубе замкнутого рециркуляционного типа для воспроизведения свободного парения человека в воздухе, содержащей верхний и нижний горизонтальные воздуховодные каналы, два боковых вертикальных обводных воздуховодных канала и центральный канал с вертикальной полетной камерой с конфузором в ее основании, четыре поворотных колена, верхнюю и нижнюю коллекторные камеры, а также основные вентиляторы и систему терморегулирования, указанная система терморегулирования расположена в верхнем горизонтальном воздуховодном канале и выполнена в виде двух симметрично расположенных узлов терморегулирования, каждый из которых состоит из блока принудительной приточно-вытяжной вентиляции и блока теплообмена.
Блок принудительной приточно-вытяжной вентиляции оснащен регулируемыми вентиляторами и выполнен с возможностью воздухообмена внутреннего объема аэродинамической трубы с атмосферой.
Блок теплообмена оснащен теплообменными камерами, содержащими теплообменник-радиатор, связанный с внешним холодильным агрегатом, встроенные регулируемые вентиляторы теплообменника, и выполнен с возможностью притока нагретого воздуха из верхнего горизонтального воздухоотводящего канала и оттока охлажденного воздуха обратно в указанный канал.
Коллекторные камеры и поворотные колена выполнены с жесткими концентричными перфорированными перегородками, образующими каналы, при этом основные вентиляторы установлены в боковых обводных воздуховодных каналах, снабжены спрямляющими лопатками, а электродвигатели основных вентиляторов размещены в кольцевых кожухах обтекателей с выхлопными патрубками для отвода нагретого воздуха в атмосферу.
В устройстве по настоящему изобретению терморегулирование осуществляется с использованием принудительной системы воздухообмена и охлаждения, которая содержит узлы терморегулирования, каждый из которых состоит из блока принудительной приточно-вытяжной вентиляции и блока теплообмена, что обеспечивает устойчивое поддержание необходимой температуры воздушного потока в любом режиме регулирования от минимальной до максимальной, при этом вмешательство в формирование неравномерного течения воздушного потока, а также в ухудшение его качества и скорости исключено.
Система принудительной приточно-вытяжной вентиляции представляет собой систему, состоящую из приточных и вытяжных регулируемых вентиляторов, смонтированных в воздуховодных каналах аэродинамической трубы и обеспечивающих как принудительную вытяжку нагретого воздушного потока, так и принудительный приток свежего атмосферного воздуха, благодаря чему обеспечивается вентиляция и охлаждение воздушного потока в полетной камере аэродинамической трубы.
Система содержит также блок теплообмена, содержащий теплообменные камеры, содержащие теплообменник-радиатор, связанный с внешним холодильным агрегатом, и встроенные регулируемые вентиляторы теплообменной камеры. Указанный блок выполнен с возможностью притока нагретого воздуха из верхнего горизонтального воздухоотводящего канала и оттока охлажденного воздуха обратно в указанный канал. Теплообменник-радиатор охлаждается хладагентом, циркулирующим между ним и внешним холодильным агрегатом, позволяя ему работать в режиме интенсивного принудительного охлаждения, что является весьма востребованным, особенно при работе на максимальных режимах и в жаркую погоду.
Все вентиляторы являются регулируемыми и могут управляться преобразователями частоты, работать с переменной производительностью, что позволяет с высокой точностью осуществлять автоматический и ручной контроль температуры в аэродинамической трубе.
Размещение основных вентиляторов в боковых воздуховодных каналах является рациональным с точки зрения снижения гидравлических потерь и жесткости конструкции, а наличие спрямляющих лопаток обеспечивает равномерность течения воздушного потока и способствует снижению гидравлических потерь.
В дополнение к принудительной системе охлаждения, используется пассивная система охлаждения набегающим потоком воздуха корпусов электродвигателей основных вентиляторов, за счет размещения последних в кольцевые кожухи обтекателя с отводом из них нагретого воздуха через воздушные каналы и выхлопные патрубки в атмосферу, что способствует снижению температуры воздушного потока, а также минимизации гидравлических потерь.
Выполнение коллекторных камер и поворотных колен с жесткими концентричными перфорированными перегородками, образующими каналы, позволяет повысить эффективность работы аэродинамической трубы, снижая гидравлические потери и обеспечивая равномерность течения воздушного потока при его развороте по сравнению с лопаточными поворотными спрямляющими решетками в прототипе. При этом наибольшая эффективность наблюдается, если выполнены следующие соотношения:
R(R1, R2, R2) / L(L1, L2, L3)=1,5-2,0,
где R1, R2, R3 - средний радиус поворота канала между перфорированными перегородками, а L1, L2, L3 - ширина соответствующего канала. При этом также обеспечивается жесткость конструкции и повышается технологичность при изготовлении.
Полетная камера в конструкции - прототипе имеет входной и выходной проемы в промежуточной площадке. Проемы могут быть оборудованы дверьми различной конструкции, в том числе и скользящими - откатными, а промежуточная площадка пристроена к воздушному шлюзу.
При такой схеме входных и выходных проемов необходимо наличие средств, обеспечивающих синхронизацию открытия дверей между собой, в противном случае одновременное открытие входных, выходных и шлюзовых проемов ведет к резким перепадам давлений в этих помещениях, которые могут привести к снижению эффективности работы устройства, а также к травмированию пользователя, находящегося внутри полетной камеры.
В устройстве по настоящему изобретению входной блок оснащен карусельной дверью с вращающимися секторами-проемами входа-выхода и уплотнителями по ее периметру, а между полетной камерой и карусельной дверью установлена шлюзовая камера с аварийной дверью. При аварийной ситуации пользователь имеет возможность покинуть полетную камеру через аварийную дверь. Такая конструкция при переходе пользователя из одного сектора-проема в противоположный не создает вынужденного перепада давления между полетной камерой и промежуточными площадками входа-выхода, что обеспечивает комфортное безударное вхождение пользователей и смену экипажей.
Кроме того, с целью обеспечения безопасности и дополнительного выравнивания поля скоростей воздушного потока полетная камера снабжена страховочной сеткой.
Дополнительно с целью снижения шума при прохождении воздушного потока через поворотные колени жесткие перфорированные перегородки, расположенные внутри них, могут быть снабжены слоями звукопоглощающего материала.
Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.
На фиг. 1 представлена конструкция аэродинамической трубы в разрезе, а также схема движения воздушного потока внутри нее.
На фиг. 2 показаны правая (а) и левая (б) теплообменные камеры блока теплообмена системы терморегулирования устройства по настоящему изобретению.
На фиг. 3 в разрезе представлено расположение основного вентилятора в боковом вертикальном канале.
На фиг. 4 показана конструкция входного блока в полетную камеру для пользователя, вид в аксонометрии (а), вид сверху (б).
На фиг. 5а схематично изображено поворотное колено с жесткими перфорированными перегородками, где R1, R2, R2 - средний радиус поворота канала между перфорированными перегородки, L1, L2, L3 - ширина соответствующего канала. На фиг. 5б показаны слои звукопоглощающего материала, которыми могут быть снабжены перфорированные перегородки.
Устройство по настоящему изобретению содержит:
1 - верхний горизонтальный воздуховодный канал;
2 - нижний горизонтальный воздуховодный канал;
3 - боковой вертикальный обводной воздуховодный канал;
4 - центральный канал;
5 - вертикальная полетная камера;
6 - конфузор;
7 - поворотное колено;
8 - верхняя коллекторная камера;
9 - нижняя коллекторная камера;
10 - основной вентилятор;
11 - регулируемый вентилятор отбора нагретого воздуха блока принудительной приточно-вытяжной вентиляции;
12 - регулируемый вентилятор притока наружного воздуха блока принудительной приточно-вытяжной вентиляции;
13 - теплообменная камера;
14 - теплообменник-радиатор;
15 - холодильный агрегат;
16 - встроенный регулируемый вентилятор притока-вытяжки блока охлаждения;
17 - спрямляющие лопатки основного вентилятора;
18 - электродвигатель основного вентилятора;
19 - кольцевой кожух обтекателя двигателя;
20 - воздушный канал;
21 - выхлопной патрубок;
22 - жесткая перфорированная перегородка;
23 - перфорация перегородки;
24 - канал поворотного колена;
25 - проем-дверь;
26 - карусельная дверь;
27 - вращающиеся сектора-проемы входа-выхода;
28 - шлюзовая камера;
29 - воздушный поток;
30 - уплотнитель вращающегося сектора-проема;
31 - страховочная сетка;
32 - канал нижней коллекторной камеры;
33 - аварийная дверь;
34 - слой звукопоглощающего материала.
Далее описана работа устройства в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения.
Работа вертикальной аэродинамической трубы по настоящему изобретению осуществляется следующим образом.
При включении электродвигателя 18 основного вентилятора 10 обоих боковых вертикальных каналов 3 создается перепад давления, под действием которого воздушный поток 29 через спрямляющие лопатки 17 движется вниз к поворотному колену 7 и меняет направление воздушного потока 29 с вертикального на горизонтальное (угол примерно 90°) с помощью спрямляющих каналов 24 поворотного колена 7, обеспечивая при этом, безвихревое течение воздуха по направлению к нижней коллекторной камере 9.
По каналам 32 нижней коллекторной камеры 9 воздушные потоки 29, поступающие с боковых каналов 3, вновь разворачиваются на угол 90° и смешиваются в конфузоре 6. В результате плавного сужения проходного сечения конфузора 6 происходит выравнивание полей скоростей и ускорение движения воздушного потока 29 до значений порядка 50 м/сек (180 км/ч) и более, обеспечивающих поддержку пользователя в вертикальной полетной камере 5 в свободном парящем состоянии. Страховочная сетка 31 также способствует выравниванию полей скоростей воздушного потока 29.
Скорость воздушного потока внутри полетной камеры 5 может регулироваться автоматически либо по команде оператора с использованием системы управления преобразователями частоты регулируемых электродвигателей 18 основных вентиляторов 10.
При прохождении воздушного потока 29 вдоль стенок каналов, развороте его в поворотных коленах, коллекторных камерах и т.п. происходит увеличение внутренних потерь на трение, что соответственно приводит к существенному нагреву воздуха (например, свыше 35°С) и уменьшению содержания в нем кислорода, что вызывает дискомфортное состояние пользователя.
Охлаждение нагретого потока 29 и насыщение его свежим наружным воздухом осуществляется в верхнем горизонтальном воздуховодном канале 1, в котором располагается система принудительного терморегулирования. Нагретый воздух, поднимаясь по центральному каналу 4, делится в верней коллекторной камере 8 на два противоположных потока с помощью жестких перфорированных перегородок 22. Слои звукопоглощающего материала 34 обеспечивают снижение шума при прохождении воздушного потока 29 сквозь перегородки 22 поворотных колен 7.
Часть нагретого воздуха принудительно отбирается регулируемыми вентиляторами 11 и выбрасывается наружу в атмосферу, при этом примерно тот же объем свежего наружного воздуха нагнетается регулируемыми вентиляторами 12 из атмосферы в систему терморегулирования.
При работе аэродинамической трубы в жарком климате или на максимальных режимах дополнительно используется теплообменная камера 13 блока теплообмена, в которую встроенным регулируемым вентилятором 16 воздух нагнетается и прокачивается через теплообменники-радиаторы 14, охлаждаясь при этом до необходимой температуры, и далее с помощью аналогичного вентилятора 16 охлажденный воздушный поток 29 нагнетается в каждый из боковых вертикальных каналов 3.
В свою очередь для отвода тепла от электродвигателя 18 и исключения попадания нагретого им воздуха в воздуховодные каналы между кольцевым кожухом обтекателя 19 и корпусом электродвигателя 18 имеется воздушный кольцевой канал 20, по которому нагретый электродвигателем воздух выбрасывается в атмосферу через щелевые выхлопные патрубки 21.
Входной блок содержит проем-дверь 25, выполненный в стенке полетной камеры 5, а также шлюзовую камеру 28, аварийную дверь 33 и карусельную дверь 26 с вращающимися секторами-проемами 27 входа-выхода. Герметичность карусельной двери 26 обеспечена уплотнителями 30 сектора-проема 27.
Пользователь попадает через герметичный сектор - проем 27 карусельной двери 26 с уплотнениями 30, в шлюзовую камеру 28 и далее через проем - дверь 25 непосредственно в полетную камеру 5. При аварийной ситуации пользователь имеет возможность покинуть полетную камеру 5 через аварийную дверь 33. Герметичная карусельная дверь 26 обеспечивает комфортное безударное вхождение пользователей в рабочую зону полетной камеры 5, сводя при этом к минимуму скачки и перепады давления и скорости воздушного потока 29.
1. Вертикальная аэродинамическая труба замкнутого рециркуляционного типа для воспроизведения свободного парения человека в воздухе, содержащая верхний и нижний горизонтальные воздуховодные каналы, два боковых вертикальных обводных воздуховодных канала и центральный канал с вертикальной полетной камерой с конфузором в ее основании, четыре поворотных колена, верхнюю и нижнюю коллекторные камеры, а также основные вентиляторы и систему терморегулирования,
отличающаяся тем, что
система терморегулирования расположена в верхнем горизонтальном воздуховодном канале и выполнена в виде двух симметрично расположенных узлов терморегулирования, каждый из которых состоит из блока принудительной приточно-вытяжной вентиляции и блока теплообмена, блок принудительной приточно-вытяжной вентиляции оснащен регулируемыми вентиляторами и выполнен с возможностью воздухообмена внутреннего объема аэродинамической трубы с атмосферой, а блок теплообмена оснащен теплообменными камерами, содержащими теплообменник-радиатор, связанный с внешним холодильным агрегатом, и встроенные регулируемые вентиляторы теплообменника, и выполнен с возможностью притока нагретого воздуха из верхнего горизонтального воздухоотводящего канала и оттока охлажденного воздуха обратно в указанный канал, коллекторные камеры и поворотные колена выполнены с жесткими концентричными перфорированными перегородками, образующими каналы, при этом основные вентиляторы установлены в боковых обводных воздуховодных каналах, снабжены спрямляющими лопатками, а электродвигатели основных вентиляторов размещены в кольцевых кожухах обтекателей с выхлопными патрубками для отвода нагретого воздуха в атмосферу.
2. Вертикальная аэродинамическая труба по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальная полетная камера снабжена страховочной сеткой, карусельной дверью с вращающимися секторами-проемами входа-выхода и уплотнителями по ее периметру, а между полетной камерой и карусельной дверью установлена шлюзовая камера с аварийной дверью.
3. Вертикальная аэродинамическая труба по п. 1, отличающаяся тем, что перфорированные перегородки поворотных колен снабжены слоями звукопоглощающего материала.
