аэродинамический движитель

Формула изобретения

Аэродинамический движитель, содержащий корпус и плоские радиальные лопатки, отличающийся тем, что наружная поверхность корпуса выполнена в виде поверхности вращения, например конической, органической сверху и снизу торцевыми поверхностями, причем радиус наружной поверхности плавно возрастает, начиная от верхней торцевой поверхности до нижней, при этом плоские радиальные лопатки закреплены на установленной в корпусе с возможностью вращения втулке с минимальным зазором относительно наружной поверхности корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для создания аэродинамической подъемной силы (тяги) и может быть использовано для перемещения в воздушном пространстве аппаратов тяжелее воздуха.

Известно устройство для создания тяги в воздушной (водной) среде - тяговый винт вертолета, гребной винт корабля (cм., например, Юрьев Б.Н. Аэродинамический расчет вертолетов. - М.: Оборонгиз, 1956, гл. 3, с. 50).

Несмотря на широкое использование этого устройства, оно обладает тем недостатком, что практически с учетом реальных размеров винта для создания необходимой величины тяги требуются большие затраты мощности. Затрата мощности N на единицу подъемной силы T характеризуется коэффициентом удельной тяги

q = T/N кг/л.с.

Обычно для вертолетов q = 5 - 6 кг/л.с.

Таким образом, повышение q устройств для создания тяги в воздушной (водной) среде является постоянной проблемой.

Известно устройство, представляющее собой несущую систему летательного аппарата вертикального взлета и посадки по патенту США N 2944762, кл. 244/12, 1960, которое содержит корпус и рабочее колесо с плоскими радиальными лопатками. Это устройство наиболее близко по своей технической сути к предлагаемому (прототип). Подъемная сила у прототипа образуется за счет обтекания воздушным потоком аэродинамической поверхности, выполненной снаружи в верхней части устройства. На виде сверху эта поверхность имеет форму круга довольно большого радиуса для создания достаточной подъемной силы. Это приводит к увеличению габаритов устройства, что является его недостатком.

В предлагаемом устройстве задача повышения экономичности полета вертолета (повышение q) и уменьшения габаритов устройства решается благодаря тому, что у аэродинамического движителя, содержащего корпус и плоские радиальные лопатки, наружная поверхность корпуса выполнена в виде поверхности вращения, например, конической, ограниченной сверху и снизу торцевыми поверхностями, причем радиус наружной поверхности плавно возрастает, начиная от верхней торцевой поверхности до нижней, при этом плоские радиальные лопатки закреплены на установленной в корпусе с возможностью вращения втулке с минимальным зазором относительно наружной поверхности корпуса.

Такое выполнение устройства позволяет уменьшить радиус ометания вращающихся частей, упростить конструкцию и повысить экономичность полета, т.е. увеличить q.

На фиг. 1 дан продольный разрез предлагаемого устройства; на фиг. 2 - вид сверху; на фиг. 3 - вариант выполнения наружной поверхности вращения устройства в виде части сферы; на фиг. 4 - в виде части тора; на фиг. 5 - схема компоновки предлагаемого устройства с фюзеляжем вертолета (продольный разрез); на фиг. 6 - вид сверху компоновки с фюзеляжем.

Устройство состоит из корпуса 1, на котором выполнена наружная поверхность вращения 2 в виде либо конуса (фиг. 1), либо части сферы (фиг. 3), либо части тора (фиг. 4) и т.п. Сверху ее ограничивает торец 3, а снизу торец 4. В центральной части корпуса 1 в центре поверхности вращения 2 установлена с возможностью вращения втулка 5, к которой с помощью спиц 6 и обода 7 прикреплены плоские радиальные лопатки 8. Эти лопатки установлены равномерно по окружности с шагом

t = (1 - 2)h,

где

h - высота лопатки, измеренная в радиальном направлении.

Ближняя к поверхности 2 кромка лопаток расположена с минимально возможным зазором от этой поверхности. Конец ближней кромки (точка А) располагается вблизи торца 4. В верхней части поверхность 2 имеет радиус R. Высота лопаток 8 варьирует в широких пределах h = (0,015 - 0,4)R в зависимости от назначения устройства, т. к. устройство может быть использовано в качестве активной части вентилятора, насоса или гидродвижителя.

Характерной величиной устройства является величина

K=Htg,

где

H - высота поверхности 2;

- острый угол наклона образующей поверхности 2 к оси вращения (половинный угол при вершине конуса),

K = (0,1 - 0,4)R;

25^o

Устройство работает следующим образом. При вращении втулки 5 с лопатками 8 воздух, находящийся в межлопаточных каналах вращается вокруг оси вращения. Линейная скорость вращения воздуха в канале у верхнего основания конуса равна

R,

где

- угловая скорость вращения втулки,

а у нижнего основания конуса

(R+K).

В силу неразрывности воздушной массы, находящейся в межлопаточных каналах, происходит перемещение частиц воздуха в канале от верхней части лопатки к нижней. При этом воздух в канале ускоряется в своем течении вниз и в относительном движении в нижней части конуса имеет скорость

V_отн=(R+K)-R=K.

В переносном движении

V_пер=(R+K).

Таким образом, воздух вытекает из каналов под углом



В результате обтекания поверхности конуса воздушным потоком, статическое давление которого меньше атмосферного, образуется подъемная сила

T = P_динS_эф,

где

P_дин - динамическое давление воздушного потока;

S_эф - эффективная площадь поверхности конуса (проекция площади конической поверхности на плоскость вращения).

Отметим, что T создается на корпусе вертолета, а вращающаяся втулка с лопатками свободна от силы T.

На фиг. 5 и фиг. 6 показан пример компоновки предлагаемого устройства с фюзеляжем вертолета. Здесь выходящий из межлопаточных каналов воздух обдувает поверхность вращения 9, образующая которой выполнена в виде отрезка прямой, являющейся траекторией движения частицы воздуха при выходе из межлопаточного канала (образующая однополостного гиперболоида), и попадает в спрямляющий аппарат, криволинейные лопатки 10 которого направляют воздух вниз параллельно оси вращения. На концах лопаток 10 шарнирно закреплены поворотные лопатки 11, отклоняющие поток от вертикали в ту или другую стороны для поворота аппарата вокруг вертикальной оси. Наконец, для осуществления пропульсивного способа перемещения при горизонтальном полете используются четыре выдвижные заслонки 12, перекрывающие поток на выходе из каналов.

Там, где каналы перекрыты, тяга отсутствует. В результате смещается вектор тяги относительно центра тяжести аппарата и создается момент, наклоняющий аппарат в нужную сторону, после чего образуется горизонтальная составляющая вектора тяги, перемещающая его горизонтально.

В отличие от аналога тяга у предлагаемого аппарата регулируется угловой скоростью вращения втулки 5. Для этого может быть использован вариатор угловой скорости, например, по авторскому свидетельству N 1237839 или другим.

Наконец, при использовании устройства в качестве вентилятора, насоса или гидродвижителя лопатки могут быть скреплены с конусом и втулкой (составляют одно целое). В этом случае все соотношения для вычисления T, N и q действительны.

Ввиду того, что вряд ли аппарат с использованием предложенного устройства моет опускаться в режиме авторотации, применение его должно быть ограничено низкими высотами полета, не более 5-6 м, а потому безопасным. По-видимому, значение использования аппарата заключается в том, что для его транспортирования отпадает необходимость в устройстве автодорог.