RU2136539C1 - Hydrodynamic propulsor - Google Patents

Abstract

FIELD: water and air transport. SUBSTANCE: propulsor has housing with impeller mounted inside it; impeller is provided with radial blades. Inner lateral surface of housing is made in form of semicylinder mounted at minimum clearances between it and blades. Parallel lateral planes are smoothly engageable with surface of semicylinder; length of each lateral plane is no less than radius of semicylinder. One lateral surface if housing has opening whose radius is lesser than radius of semicylinder. EFFECT: reduction of overall dimensions of propulsor; facilitated assembly on different transport facilities. 10 dwg

Description

Изобретение относится к области устройств для создания тяги (подъемной силы) в воздушной, водной среде и может быть использовано к качестве движителя на водном транспорте, снегоходах а также может служить для перемещения аппаратов тяжелее воздуха в воздушной среде (типа вертолетов). The invention relates to the field of devices for creating traction (lifting force) in the air, water environment and can be used as a mover in water transport, snowmobiles and can also be used to move vehicles heavier than air in the air (such as helicopters).

Известно устройство, предназначенное для создания тяги в воздушной (водной) среде - это несущий винт вертолета, гребной винт корабля (cм., например, Б.Н. Юрьев "Аэродинамический расчет вертолетов". -М.: Оборонгиз, 1956 г., глава 3, стр. 50). A device is known for creating thrust in an air (water) environment — it is a rotor of a helicopter, a propeller of a ship (see, for example, B.N. Yuryev “Aerodynamic calculation of helicopters.” -M.: Oborongiz, 1956, chapter 3, p. 50).

Это устройство является аналогом предлагаемого. This device is an analogue of the proposed.

Известна центробежная турбомашина, содержащая кожух (корпус), приводной вал, установленный в кожухе с возможностью вращения, рабочее колесо, выполненное в виде втулки, насаженной на приводной вал, с закрепленными в ней радиальными лопатками, установленными под прямым углом к плоскости вращения. Кожух имеет две внутренние торцовые поверхности, расположенные с минимальными зазорами от лопаток, один торец кожуха содержит входное отверстие с центром по оси вращения, а в другом на подшипниках установлен приводной вал. Боковая внутренняя поверхность кожуха имеет спиралевидную форму, переходящую во внутреннее сечение выходного отверстия (см., например, книгу И.М.Жумахов "Насосы, вентиляторы и компрессоры", Углетехиздат 1958, стр. 13, рис.З). A centrifugal turbomachine is known, comprising a casing (housing), a drive shaft mounted rotatably in the casing, an impeller made in the form of a sleeve mounted on the drive shaft, with radial blades fixed therein, mounted at right angles to the plane of rotation. The casing has two inner end surfaces located with minimal clearances from the blades, one end of the casing contains an inlet with a center along the axis of rotation, and a drive shaft is mounted on the bearings in the other. The lateral inner surface of the casing has a spiral shape, turning into the internal section of the outlet (see, for example, I.M.Zhumakhov's book "Pumps, Fans, and Compressors", Ugletekhizdat 1958, p. 13, Fig. 3).

Эта центробежная турбомашина используется в технике очень широко в качестве вентилятора или насоса. В ней создается также и гидроаэродинамическая сила тем больше, чем больше масса и скорость вытекающей в секунду жидкости. Однако для последней цели эти машины не используются, т.к. несущие и гребные винты вертолетов, кораблей более эффективны. Тем не менее по своей технической сущности упомянутая турбомашина наиболее близка к предлагаемому устройству и ее можно считать прототипом. This centrifugal turbomachine is used in technology very widely as a fan or pump. Hydroaerodynamic force is also created in it, the greater, the greater the mass and speed of the fluid flowing out per second. However, these machines are not used for the latter purpose, because rotors and propellers of helicopters and ships are more efficient. Nevertheless, in its technical essence, the said turbomachine is closest to the proposed device and can be considered a prototype.

Несмотря на широкое использование в технике аналога, он обладает тем недостатком, что для создания необходимой величины тяги при приемлемых габаритах устройства приходится затрачивать большую мощность. Despite the widespread use of the analog in technology, it has the disadvantage that it takes a lot of power to create the necessary thrust with acceptable dimensions of the device.

Коэффициент удельной тяги q = T/N, где Т - подъемная сила, N - затрачиваемая мощность. The specific thrust coefficient q = T / N, where T is the lifting force, N is the power spent.

Для аналога (несущего винта) обычно q = 5 - 6 кг/л.с. Кроме того, компоновка аналога, с такими, например, устройствами, как моторная лодка с использованием воздушной тяги, снегоход с использованием воздушной тяги и т.п. весьма затруднительна из-за того, что тяга там перпендикулярна плоскости вращения винта, что приводит к большим габаритам устройств. For the analogue (rotor), usually q = 5 - 6 kg / hp. In addition, the layout of the analogue, with, for example, devices such as a motor boat using air traction, a snowmobile using air traction, etc. very difficult due to the fact that the thrust there is perpendicular to the plane of rotation of the screw, which leads to large dimensions of the devices.

В предлагаемом устройстве эти недостатки устраняются благодаря тому, что в гидроаэродинамическом движителе в виде турбомашины, содержащей корпус с боковой внутренней поверхностью и двумя торцовыми внутренними поверхностями, между которыми с минимальными зазорами установлено в корпусе с возможностью вращения рабочее колесо в виде втулки с плоскими радиальными лопатками, закрепленными перпендикулярно плоскости вращения, внутренняя боковая поверхность корпуса выполнена в виде полуцилиндра, установленного с минимально возможным для вращения зазором между полуцилиндром и лопатками, и двух плавно сопряженных с поверхностью полуцилиндра параллельных между собой плоскостей, длина каждой из которых не менее радиуса полуцилиндра, при этом внутренние поверхности торцев корпуса выполнены в виде плоскостей, ограниченных внутренней боковой поверхностью и линиями, соединяющими концы боковых поверхностей, причем внутренняя поверхность одного из торцев имеет вырез, радиус которого меньше радиуса внутренней боковой поверхности корпуса. In the proposed device, these disadvantages are eliminated due to the fact that in a hydroaerodynamic propulsion device in the form of a turbomachine, comprising a housing with a lateral inner surface and two end internal surfaces, between which, with minimal gaps, the impeller is mounted with the possibility of rotation in the form of a sleeve with flat radial blades, fixed perpendicular to the plane of rotation, the inner side surface of the housing is made in the form of a half cylinder installed with the minimum possible a gap between the half-cylinder and the blades, and two planes smoothly conjugated with the surface of the half-cylinder, the length of each of which is not less than the radius of the half-cylinder, while the inner surfaces of the ends of the body are made in the form of planes bounded by the inner side surface and the lines connecting the ends of the side surfaces moreover, the inner surface of one of the ends has a cutout whose radius is smaller than the radius of the inner side surface of the housing.

Такое выполнение гидроаэродинамического движителя допускает возможность его компоновки с такими устройствами, как снегоход, моторная лодка с аэродвижителем, вертолет и т.п., а также позволяет получить необходимую величину тяги в меньших габаритах. This embodiment of the hydro-aerodynamic propulsion device allows its layout with devices such as a snowmobile, a motor boat with an air propulsion device, a helicopter, etc., and also allows you to obtain the required thrust in a smaller size.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема гидроаэродинамического движителя (вид сбоку);
на фиг. 2 - вид спереди;
на фиг. 3 - приведена схема вытекания воздуха из предлагаемого устройства;
на фиг. 4 и 5 дан пример использования на минивертолете;
на фиг. 6 - схема использования на лодке с воздушным движителем;
на фиг. 7 - использование на снегоходе;
на фиг. 8 - использование на моторной лодке с водяным движителем;
на фиг. 9 и 10 дан пример использования на вертолете среднего размера.In FIG. 1 shows a structural diagram of a hydroaerodynamic propulsion device (side view);
in FIG. 2 is a front view;
in FIG. 3 - shows a flow of air from the proposed device;
in FIG. 4 and 5 give an example of use on a mini-helicopter;
in FIG. 6 is a diagram of use in a boat with an air propulsion device;
in FIG. 7 - use on a snowmobile;
in FIG. 8 - use on a motor boat with a water propulsion;
in FIG. 9 and 10 give an example of using a medium-sized helicopter.

Гидроаэродинамический движитель состоит из корпуса 1, в котором с возможностью вращения установлена ось 2. На оси 2 жестко закреплена втулка 3. Во втулке 3 закреплены плоские радиальные лопатки 4, выполненные в виде тонких пластин. Рабочие плоскости пластин перпендикулярны плоскости вращения (или параллельны оси вращения). Втулка 3 с лопатками 4 представляет собой рабочее колесо движителя. The hydroaerodynamic propulsion device consists of a housing 1, in which an axis 2 is mounted rotatably. A sleeve 3 is rigidly fixed to the axis 2. Flat radial blades 4 are made in the sleeve 3 and are made in the form of thin plates. The working planes of the plates are perpendicular to the plane of rotation (or parallel to the axis of rotation). The sleeve 3 with the blades 4 is an impeller of the propeller.

Первый внутренний торец корпуса 1 является плоскостью, ограниченной контуром dambc. Второй внутренний торец ограничен контуром dambc, и вырезом d'a'm'b'c'. The first inner end of the housing 1 is a plane bounded by the contour dambc. The second inner end is limited by the outline of dambc, and the notch d'a'm'b'c '.

Размеры отрезков dd' = aa' = mm' = bb' = cc' равны приблизительно 0,25 R, где R - наружный радиус лопаток, (или радиус внутренней боковой поверхности корпуса). The dimensions of the segments dd '= aa' = mm '= bb' = cc 'are approximately 0.25 R, where R is the outer radius of the blades, (or the radius of the inner side surface of the casing).

Ширина лопаток h берется приблизительно h = 0,3R. The blade width h is taken to be approximately h = 0.3R.

Зазор между лопаткой и торцами выполняется минимальным. Зазор между концом лопатки и внутренней боковой поверхностью также берется минимальным. Боковая внутренняя поверхность корпуса состоит из цилиндрической поверхности amb и двух плоскостей ad и bc, параллельных между собой и плавно сопрягаемых с поверхностью полуцилиндра. Боковые поверхности (полуцилиндр и две плоскости) перпендикулярны внутренним торцам. The gap between the blade and the ends is minimal. The gap between the end of the blade and the inner side surface is also taken to be minimal. The lateral inner surface of the housing consists of a cylindrical surface amb and two planes ad and bc parallel to each other and smoothly mating with the surface of the half-cylinder. The lateral surfaces (half cylinder and two planes) are perpendicular to the inner ends.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При вращении рабочего колеса с угловой скоростью ω воздух, находящийся внутри корпуса, закручивается и вытекает вдоль линии bc со скоростью V = ωR, которая уменьшается по мере уменьшения радиуса расположения частицы воздуха. Приблизительно картина скоростей вытекания воздуха описывается эпюрой, приведенной на фиг. 3. When the impeller rotates with an angular velocity ω, the air inside the housing swirls and flows along the line bc with a speed V = ωR, which decreases as the radius of the air particle decreases. An approximate picture of the outflow velocities is described by the diagram shown in FIG. 3.

При вращении воздух оказывает давление на цилиндрическую внутреннюю боковую поверхность

где ρ - плотность воздуха (здесь радиусом втулки (пренебрегаем)
Эффективная площадь, на которую действует это давление
S_эф = 2Rh
Тогда подъемная сила,

Благодаря вырезу d'a'm'b'c', размер которого выбирают так, чтобы получилась отбортовка по торцу размером (0,2 - 0,3)R, лопатки перемещают воздух по образующемуся каналу bb'cc' сечением S=0,25Rh.During rotation, air exerts pressure on the cylindrical inner side surface

where ρ is the air density (here, with the radius of the sleeve (neglected)
Effective area affected by this pressure
S _eff = 2Rh
Then the lift

Due to the cutout d'a'm'b'c ', the size of which is chosen so that a flanging at the end face of size (0.2 - 0.3) R is obtained, the blades move air along the formed channel bb'cc' with a section S = 0, 25Rh.

При этом воздух поступает в устройство на среднем радиусе R_ср = 0,7К в соответствии с центром тяжести площади межлопаточного кругового сектора. Средняя скорость воздуха вспомянутом канале V ≅ 0,9ωR. Расход Q = V•S = 0,9ωR•0,25Rh = 0,225ωR²h м³/c.
Момент, который должен быть приложен к рабочему колесу, определим по известной формуле об изменении момента количества движения M = ρQω(R $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ -R $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{ср}}$ ).
Здесь R₁ - средний радиус потока на выходе из криволинейной части устройства. В соответствии с размером канала R₁ ≅ 0,9R.In this case, air enters the device at an average radius R _cf = 0.7K in accordance with the center of gravity of the interscapular circular sector. The average air velocity of the recalled channel is V ≅ 0.9ωR. Consumption Q = V • S = 0.9ωR • 0.25Rh = 0.225ωR ² h m ³ / s.
The moment that must be applied to the impeller is determined by the well-known formula about the change in angular momentum M = ρQω (R $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ -R $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{wed}}$ )
Here R ₁ is the average radius of the stream at the exit from the curved part of the device. In accordance with the channel size R ₁ ≅ 0.9R.

Тогда

а затрачиваемая мощность

В положении, когда лопатка вышла из зоны канала bb'cc', воздух поступает на периферийную часть лопатки (вышедшую из канала), но с нее же и сходит. В этом случае изменение количества движения весьма мало, соответственно мала и затрачиваемая мощность.Then

and power spent

In the position when the scapula leaves the bb'cc 'channel area, air enters the peripheral part of the scapula (leaving the channel), but also leaves it. In this case, the change in the momentum is very small, and the power expended is also small.

Для винта вертолета хорошего аэродинамического качества подъемная сила T_в = 0,063ρω²R⁴, а для предлагаемого устройства при h = 0,3R T = 0,3ρω²R⁴.
Следовательно, та же подъемная сила может быть получена при меньших значениях радиальных размеров устройства. В соответствии со скоростной эпюрой (фиг. 3) вектор тяги должен быть смещен и повернут на некоторое расстояние относительно центра вращения. Это можно определить экспериментально.For helicopter rotor aerodynamic good quality lift force T _in = 0,063ρω ² R ^4, and for the present device when h = 0,3R T = 0,3ρω ² R ^4.
Therefore, the same lifting force can be obtained with smaller values of the radial dimensions of the device. In accordance with the speed diagram (Fig. 3), the thrust vector should be offset and rotated by a certain distance relative to the center of rotation. This can be determined experimentally.

Коэффициент удельной тяги предлагаемого устройства

Приведем некоторые примеры, чтобы показать возможность использования предлагаемого устройства.The coefficient of specific thrust of the proposed device

Here are some examples to show the possibility of using the proposed device.

Пример 1. Пусть R = 0,5 м, ω = 200 с^-1. ωR = 100 м/с, h = 0,25R • 2 = 0,5Rм.Example 1. Let R = 0.5 m, ω = 200 s ^-1 . ωR = 100 m / s, h = 0.25R • 2 = 0.5Rm.

Тогда

Движитель с такими параметрами можно использовать на минивертолете (фиг. 4, 5), моторной лодке с воздушным движителем (фиг.б), снегоходе (фиг.7) и т. п.Then

An engine with such parameters can be used on a mini-helicopter (Fig. 4, 5), a motor boat with an air propulsion device (Fig. B), a snowmobile (Fig. 7), etc.

Пример 2. Пусть R = 1 м, ω = 100 c^-1, ωR = 100 м/с, h = 2 • 0,25R = 0,5 R м.Example 2. Let R = 1 m, ω = 100 s ^-1 , ωR = 100 m / s, h = 2 • 0.25R = 0.5 R m.

Тогда

Это можно использовать на малых вертолетах (фиг.9,10) и других устройствах среднего размера.Then

This can be used on small helicopters (Fig.9,10) and other medium-sized devices.

На фиг. 9 и 10 дан пример использования движителя для аппаратов типа "вертолет". In FIG. 9 and 10 give an example of using a propulsion device for helicopter-type devices.

Поворачивая корпусы движителей в противоположные стороны вокруг осей вращения рабочих колес, можно управлять поворотом аппарата вокруг вертикальной оси, а поворачивая корпусы движителей в одну сторону относительно оси вращения рабочих колес, отклонять вектор тяги от вертикали, создавая тем самым горизонтальную составляющую этого вектора, необходимую для осуществления пропульсивного горизонтального перемещения. By turning the housing of the movers in opposite directions around the axes of rotation of the impellers, you can control the rotation of the apparatus around the vertical axis, and by turning the bodies of the movers in one direction relative to the axis of rotation of the impellers, reject the thrust vector from the vertical, thereby creating the horizontal component of this vector necessary for propulsive horizontal movement.

Таким образом, предлагаемый гидроаэродвижитель, благодаря тому, что он представляет собой плоское устройство, легко компонуется с различными транспортными средствами, что ввиду его дешевой конструкции даст экономию в народном хозяйстве. Thus, the proposed hydroaeromotive, due to the fact that it is a flat device, is easily assembled with various vehicles, which, due to its cheap design, will save in the national economy.

Claims (1)

Гидроаэродинамический движитель в виде турбомашины, содержащей корпус с боковой внутренней поверхностью и двумя торцовыми внутренними поверхностями, между которыми с минимальными зазорами установлено в корпусе с возможностью вращения рабочее колесо в виде втулки с плоскими радиальными лопатками, закрепленными перпендикулярно плоскости вращения, отличающийся тем, что внутренняя боковая поверхность корпуса выполнена в виде полуцилиндра, установленного с минимально возможным для вращения зазором между полуцилиндром и лопатками, и двух плавно сопряженных с поверхностью полуцилиндра параллельных между собой плоскостей, длина каждой из которых не менее радиуса полуцилиндра, при этом внутренние поверхности торцов корпуса выполнены в виде плоскостей, ограниченных внутренней боковой поверхностью и линиями, соединяющими концы боковых плоскостей, причем внутренняя поверхность одного из торцов имеет вырез, радиус которого меньше радиуса внутренней боковой поверхности корпуса. A hydroaerodynamic propulsion device in the form of a turbomachine containing a housing with a lateral inner surface and two end internal surfaces between which an impeller is installed with rotational ability with minimal gaps in the form of a hub with flat radial blades fixed perpendicular to the plane of rotation, characterized in that the inner side the surface of the casing is made in the form of a half cylinder, installed with the minimum possible gap for rotation between the half cylinder and the blades, and two planes smoothly conjugated with the surface of the half-cylinder of planes parallel to each other, the length of each of which is not less than the radius of the half-cylinder, while the inner surfaces of the ends of the housing are made in the form of planes bounded by the inner side surface and lines connecting the ends of the side planes, the inner surface of one of the ends having a cutout whose radius is smaller than the radius of the inner side surface of the housing.

Images