RU2045689C1 - Lift-thrust fan - Google Patents

Abstract

FIELD: power ventilation sets of vertical take-off and landing flying vehicles. SUBSTANCE: lift- thrust fan has blades mounted in aerodynamic ring and secured in central bush; aerodynamic ring has circular recess in plane of rotation of blades; this recess is smoothly engageable with inner surface of ring; ends of blades are received by recess and their end and upper surfaces are congruent respectively to end and upper surfaces of recess. EFFECT: enhanced reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к вентиляционным устройствам, в частности к вентиляторным силовым установкам летательных аппаратов, и может быть применено в качестве подъемно-тягового устройства для самолетов вертикального и короткого взлета. The invention relates to ventilation devices, in particular to fan power plants of aircraft, and can be used as a lifting and traction device for aircraft of vertical and short take-off.

Известен ряд силовых вентиляторных установок, который используют в качестве движителей и подъемных систем на некоторых экспериментальных самолетах вертикального взлета и посадки, например Белл Х-22, Райан ХУ-5А, Венгаpд С-30 и др. [1] Подъемно-тяговые вентиляторы, установленные на указанных летательных аппаратах, содержат установленные в аэродинамическом кольце лопасти, укрепленные в центральной втулке. При этом концы лопастей отстоят на том или ином расстоянии от внутренней поверхности кольца, т.е. данное устройство всегда выполняется таким образом, что диаметр вентилятора или воздушного винта всегда меньше внутреннего диаметра аэродинамического кольца. A number of power fan systems are known, which are used as propulsion and lifting systems on some experimental vertical take-off and landing aircraft, for example, Bell X-22, Ryan XU-5A, Wengard S-30, etc. [1] Hoisting and traction fans installed on these aircraft, contain blades mounted in the aerodynamic ring, mounted in the Central sleeve. In this case, the ends of the blades are spaced at one or another distance from the inner surface of the ring, i.e. This device is always designed in such a way that the diameter of the fan or propeller is always smaller than the inner diameter of the aerodynamic ring.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве концы лопастей вентиляторного диска, которые являются основным источником шума, экранированы аэродинамическим кольцом только в плоскости их вращения, в то время как в продольном направлении шум распространяется беспрепятственно и составляет основную долю суммарного шума вентилятора. The reasons that impede the achievement of the required technical result when using the known device include the fact that in the known device the ends of the blades of the fan disk, which are the main source of noise, are shielded by the aerodynamic ring only in the plane of their rotation, while in the longitudinal direction the noise propagates unhindered and makes up the bulk of the total fan noise.

Кроме того, при проектировании "винта в кольце" в расчет обычно берутся только осевые скорости воздуха, главные из них, скорость подсасывания V₁ и скорость отбрасывания V₂, причем для свободного винта всегда соблюдается соотношение V₂ 2V₁. Однако, как показывают опыт и теоретический расчет, скорость воздуха вдоль лопастей, особенно на их концах, имеет величину, превышающую скорость подсасывания V₁. Это приводит к тому, что часть воздуха, подходящая к лопасти, в случае ее свободного вращения, например, у несущего винта вертолета, сбрасывается с нее центробежной силой, что является основным источником так называемых концевых потерь, а в случае вращения лопасти внутри аэродинамического кольца пелена воздуха, стекающая в радиальном направлении с концов лопастей, отражается от цилиндрической поверхности внутренней части кольца и, двигаясь навстречу воздуху на входе, разворачивается и возвращается к лопасти, образуя явление, подобное известному в теории вертолета как режим вихревого кольца. При этом, несмотря на возврат отброшенного в радиальном направлении воздуха в плоскость вращения винта, он отнимает некоторую часть ометаемой винтом площади, что снижает его КПД.In addition, when designing a screw in a ring, only axial air velocities are usually taken into account, the main ones being the suction speed V ₁ and the drop speed V ₂ , and for the free screw the ratio V ₂ 2V _{1 is} always observed. However, as experience and theoretical calculation show, the air velocity along the blades, especially at their ends, has a value exceeding the suction rate V ₁ . This leads to the fact that the part of the air approaching the blade, in the case of its free rotation, for example, at the rotor of the helicopter, is discharged from it by centrifugal force, which is the main source of the so-called end losses, and in the case of rotation of the blade inside the aerodynamic ring of the shroud air flowing in the radial direction from the ends of the blades is reflected from the cylindrical surface of the inner part of the ring and, moving towards the air at the inlet, turns around and returns to the blade, forming a phenomenon similar to estno helicopter in theory as the vortex ring mode. At the same time, despite the return of radially thrown air into the plane of rotation of the screw, it takes away some of the area swept by the screw, which reduces its efficiency.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является устройство, содержащее установленные в аэродинамическом кольце лопасти, укрепленные в центральной втулке, установленное на экспериментальном натурном стенде силовой установки Х 353-5 [2] (прототип). The closest device of the same purpose to the claimed object according to the totality of features is a device containing blades mounted in the aerodynamic ring, mounted in the central hub, mounted on the experimental full-scale stand of the power plant X 353-5 [2] (prototype).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве воздушный винт имеет диаметр меньше, чем внутренний цилиндрический канал аэродинамического кольца, что предопределяет все принципиальные недостатки такого технического решения, изложенные выше. For reasons that impede the achievement of the required technical result when using the known device adopted as a prototype, the propeller in the known device has a diameter smaller than the inner cylindrical channel of the aerodynamic ring, which predetermines all the fundamental disadvantages of such a technical solution described above.

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

Силовые подъемно-тяговые "винты в кольце", как правило, проектируются таким образом, чтобы окружная скорость концов лопастей была максимальной. При этом ограничение окружной скорости лимитируется сжимаемостью воздуха и соответственно ростом волнового сопротивления. Обычно окружную скорость концов лопастей воздушного винта выбирают в пределах 0,75-0,85 от скорости звука. Power lifting and traction "screws in the ring", as a rule, are designed so that the peripheral speed of the ends of the blades was maximum. In this case, the limitation of the peripheral velocity is limited by the compressibility of the air and, accordingly, the increase in wave resistance. Typically, the peripheral speed of the ends of the propeller blades is selected in the range of 0.75-0.85 of the speed of sound.

В то же время известно, что уровень шума от вращающихся лопастей пропорционален шестой степени скорости данного элемента, а окружная скорость увеличивается пропорционально увеличению радиуса лопасти. At the same time, it is known that the noise level from the rotating blades is proportional to the sixth power of the speed of this element, and the peripheral speed increases in proportion to the increase in the radius of the blade.

В изобретении предлагается концы лопастей, имеющие наибольшую окружную скорость, расположить в кольцевой выемке на внутренней поверхности аэродинамического кольца в плоскости их вращения, причем эту выемку профилировать таким образом, чтобы ее торцевая и верхняя поверхности были конгруэнтны торцевой и верхней поверхности концов лопастей, а нижняя плавно совмещалась с цилиндрической поверхностью внутренней части аэродинамического кольца. The invention proposes the ends of the blades having the highest peripheral speed, located in an annular recess on the inner surface of the aerodynamic ring in the plane of their rotation, and this recess is profiled so that its end and upper surfaces are congruent with the end and upper surfaces of the ends of the blades, and the lower smoothly combined with the cylindrical surface of the inner part of the aerodynamic ring.

Указанное конструктивное решение позволяет:
экранировать в осевом направлении наиболее шумные, т.е. имеющие наибольшую окружную скорость элементы лопастей воздушного винта их концы, а также обеспечить сброс части воздуха, разгоняемого центробежной силой вдоль радиуса лопастей, разгружая тем самым ометаемую площадь от части воздуха, отражаемой от стенки цилиндрического канала внутренней части аэродинамического кольца.The specified design solution allows you to:
axially screen the most noisy ones, i.e. the ends of the propeller blades having the highest peripheral speed, their ends, as well as to ensure the discharge of part of the air dispersed by centrifugal force along the radius of the blades, thereby unloading the swept area from the part of the air reflected from the wall of the cylindrical channel of the inner part of the aerodynamic ring.

Таким образом, ввод концов лопастей "винта в кольце" в кольцевую выемку на внутренней части аэродинамического кольца, профилированную указанным выше способом, позволяет существенно снизить уровень шума подъемно-тягового устройства данного типа и повысить его относительный КПД. Thus, the introduction of the ends of the blades of the screw in the ring into the annular recess on the inside of the aerodynamic ring, profiled by the above method, can significantly reduce the noise level of this type of hoisting device and increase its relative efficiency.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем установленные в аэродинамическом кольце лопасти, укрепленные в центральной втулке, аэродинамическое кольцо имеет в плоскости вращения лопастей кольцевую выемку, плавно сопряженную с внутренней поверхностью кольца, при этом концы лопастей расположены в выемке, а их торцевая и верхняя поверхности соответственно конгруэнтны торцевой и верхней поверхности выемки. The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known device containing blades mounted in the aerodynamic ring mounted in the central hub, the aerodynamic ring has an annular recess in the plane of rotation of the blades, smoothly conjugated with the inner surface of the ring, while the ends of the blades are located in the recess , and their end and upper surfaces, respectively, are congruent with the end and upper surfaces of the recess.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволяет установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволяет выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. The analysis of the prior art, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the invention, allows us to establish that no analogue has been found, characterized by features identical to all the essential features of the invention, and the definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest analogue in terms of the totality of features, it is possible to identify a set of significant differences in relation to the technical result perceived by the applicant integral signs in the claimed object set forth in the claims.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Therefore, the invention meets the requirement of "novelty" under applicable law.

Для проверки соответствия изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками изобретения, результаты которого показывают, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижения технического результата, в частности изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
дополнение известного средства какой-либо известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которой установлено влияние именно такой замены;
исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.In order to verify that the invention meets the requirements of the inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the invention, the results of which show that the invention does not explicitly follow from the prior art, since the prior art defined by the applicant, the effect of the transformations provided for by the essential features of the invention on the achievement of the technical result, in particular The invention does not provide for the following transformations:
supplementing a known product with any known part to achieve a technical result in respect of which the effect of such additions is established;
the replacement of any part of the known means with another known part to achieve a technical result, in respect of which the effect of such a replacement is established;
the exclusion of any part of the funds with the simultaneous exclusion of the function due to its presence and the achievement of the usual result for such exclusion;
the increase in the number of elements of the same type to enhance the technical result due to the presence in the tool of just such elements;
the implementation of a known tool or part thereof from a known material to achieve a technical result due to the known properties of the material;
the creation of a tool consisting of known parts, the choice of which and the relationship between them are based on known rules, and the technical result achieved in this case is due only to the known properties of the parts of this object and the relationships between them.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству. Therefore, the invention meets the requirement of "inventive step" under applicable law.

На чертеже представлено предлагаемое устройство, продольный разрез. The drawing shows the proposed device, a longitudinal section.

Подъемно-тяговая система "винт в кольце" состоит из вентиляторного диска 1 с лопастями 2, укрепленными в центральной втулке 3, и охватывающего их аэродинамического кольца 4, на внутренней цилиндрической поверхности которого в плоскости вращения лопастей 2 выполнена кольцевая выемка 5, торцевая и верхняя поверхности которой конгруэнтны торцевой и верхней поверхностям лопастей 2 и плавным сопряжением нижней части кольцевой выемки 5 с нижней частью поверхности внутреннего цилиндрического канала аэродинамического кольца 4. Концы лопастей 2 входят в кольцевую выемку 5, т.е. диаметр внутреннего канала аэродинамического кольца 4 меньше диаметра вентиляторного диска 1. The screw-in-the-ring lifting and traction system consists of a fan disk 1 with blades 2 fixed in the central hub 3 and an aerodynamic ring 4 enveloping them, on the inner cylindrical surface of which in the plane of rotation of the blades 2 an annular recess 5 is made, end and top surfaces which are congruent to the end and upper surfaces of the blades 2 and the smooth conjugation of the lower part of the annular recess 5 with the lower part of the surface of the inner cylindrical channel of the aerodynamic ring 4. The ends of the blades 2 I DYT into the annular recess 5, i.e. the diameter of the inner channel of the aerodynamic ring 4 is less than the diameter of the fan disk 1.

Вентилятор работает следующим образом. The fan operates as follows.

При вращении вентиляторного диска 1 часть воздушного потока, поступающего на вход аэродинамического кольца 4, захватывается лопастями 2 и отбрасывается центробежной силой к стенке канала аэродинамического кольца 4. В известных конструкциях, когда диаметр вентиляционного диска 1 меньше диаметра внутреннего цилиндрического канала аэродинамического кольца 4, отброшенный центробежной силой воздух отражается от стенки канала и, взаимодействуя с набегающим на вентиляторный диск 1 потоком воздуха, возвращается в общий поток, перекрывая при этом часть ометаемой площади лопастей 2. When the fan disk 1 rotates, a part of the air flow entering the aerodynamic ring 4 is captured by the blades 2 and discarded by centrifugal force to the channel wall of the aerodynamic ring 4. In known constructions, when the diameter of the ventilation disk 1 is less than the diameter of the inner cylindrical channel of the aerodynamic ring 4, discarded by centrifugal by force, air is reflected from the channel wall and, interacting with the air flow incident on the fan disk 1, returns to the general flow, blocking at th part of the swept area of the blades 2.

При работе предлагаемого вентилятора отброшенная центробежной силой часть воздуха проходит через кольцевую выемку 5 во внутреннем цилиндрическом канале и смешивается с уже отброшенным вентиляторным диском 1 воздухом, увеличивая его массу, а следовательно, и тягу устройства. В этом случае концы лопастей вентиляторного диска 1 действуют как центробежный компрессор, который не только отсасывает застойную зону, образующуюся возле стенки внутреннего цилиндрического канала аэродинамического кольца 4 вследствие движения воздуха вдоль радиуса лопасти 2, но и при определенных условиях способный увеличить расход воздуха через устройство, а следовательно, повысить его тягу и КПД. При этом концы лопастей, имеющие наибольшую окружную скорость, закрыты стенками кольцевой выемки 5, что существенно снижает шум в осевом направлении. During the operation of the proposed fan, part of the air discarded by centrifugal force passes through the annular recess 5 in the inner cylindrical channel and mixes with the air already discarded by the fan disk 1, increasing its mass and, consequently, the draft of the device. In this case, the ends of the blades of the fan disk 1 act as a centrifugal compressor, which not only sucks the stagnant zone formed near the wall of the inner cylindrical channel of the aerodynamic ring 4 due to the movement of air along the radius of the blade 2, but also under certain conditions can increase air flow through the device, and therefore, increase its traction and efficiency. Moreover, the ends of the blades having the highest peripheral speed are closed by the walls of the annular recess 5, which significantly reduces axial noise.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности именно в качестве подъемно-тягового устройства для самолетов вертикального и короткого взлета и посадки;
для изобретения подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных средств и методов;
средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение технического результата.Thus, the above information indicates that when using the invention the following set of conditions:
means embodying the invention in its implementation, is intended for use in industry specifically as a lifting and traction device for aircraft of vertical and short take-off and landing;
for the invention confirmed the possibility of its implementation using the above means and methods;
means embodying the invention in its implementation, is able to ensure the achievement of a technical result.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "промышленная применимость". Therefore, the invention meets the requirement of "industrial applicability".

Claims (1)

ПОДЪЕМНО-ТЯГОВЫЙ ВЕНТИЛЯТОР, содержащий установленные в аэродинамическом кольце лопасти, закрепленные в центральной втулке, отличающийся тем, что аэродинамическое кольцо имеет в плоскости вращения лопастей кольцевую выемку, плавно сопряженную с внутренней поверхностью кольца, при этом концы лопастей расположены в выемке, а их торцевая и верхняя поверхности соответственно конгруэнтны торцевой и верхней поверхностям выемки. LIFTING AND TRACTION FAN, comprising blades mounted in the aerodynamic ring, fixed in the central hub, characterized in that the aerodynamic ring has an annular recess in the plane of rotation of the blades, smoothly mating with the inner surface of the ring, while the ends of the blades are located in the recess, and their end and the upper surfaces are respectively congruent with the end and upper surfaces of the recess.