RU2798252C1 - Device of the crane airship complex - Google Patents

Abstract

FIELD: aircraft equipment.

SUBSTANCE: device for a crane airship complex using aerostatic lifting force for lifting and moving loads at a construction site. The proposed device of the crane airship complex contains a suspended cabin, disconnected from the aerostatic shell and located on the ground. A load-bearing aerostatic shell, secured to the ground with cables of variable length, which are connected to the winch drums, which create freedom of movement of the load along the height and within the construction site. A winch mounted on board the aerostatic shell, which creates additional freedom of movement of the load in height, providing the possibility of precise installation of the load. Upon completion of construction, the suspended cabin, together with a set of winches and equipment in the internal cargo compartment, is connected to the aerostatic shell by means of suspension nodes, forming the airship configuration. With the help of the thrust of propeller-driven units and the developed fin assembly of the suspended cabin, it is possible to maintain the cruising flight speed and the ability to control the crane airship in flight during relocation to a new construction site.

EFFECT: simplicity of the design and operation of the complex, eliminating the identified shortcomings and improving the safety of construction work in hard-to-reach areas of the developed territories.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к устройству дирижабля-крана, использующего аэростатическую подъемную силу для подъема и перемещения грузов на строительной площадке.The invention relates to aeronautical engineering, namely to a device for an airship-crane using aerostatic lift to lift and move loads at a construction site.

Изобретение предназначено для выполнения крановых операций на объектах строительства в труднодоступных районах или для монтажа оборудования нефтегазового комплекса на осваиваемых площадках добычи.The invention is intended for performing crane operations at construction sites in hard-to-reach areas or for installing oil and gas complex equipment at developed production sites.

Известны устройства дирижаблей-кранов, использующих для подъема и перемещения грузов аэростатическую подъемную силу.Known devices for airships-cranes that use aerostatic lifting force to lift and move cargo.

Во Франции был построен дирижабль "Флиппер" с корпусом чечевицеобразной формы. Его грузоподъемность на высоте 500 м составляла 2,3 т. Также были разработаны несколько типов летающих кранов с корпусами такой же формы ("Титан", "Алкион", "Веста"). Они предназначались для транспортирования и монтажа сверхтяжелых грузов массой до 900 т (Ю.С. Бойко. Воздухоплавательные аппараты и полеты на них. Симферополь. 2015 г. стр. 502, рис. 369). Общим недостатком этих конструкций является большое количество винтомоторных установок, размещенных по периметру оболочки для обеспечения стабилизации дирижабля при ветровых нагрузках и для перемещения груза в пределах строительной площадки. Их общая масса требовала дополнительного увеличения несущего объема оболочки.In France, the airship "Flipper" was built with a lentil-shaped hull. Its lifting capacity at a height of 500 m was 2.3 tons. Several types of flying cranes with bodies of the same shape (Titan, Alkion, Vesta) were also developed. They were intended for the transportation and installation of super-heavy loads weighing up to 900 tons (Yu.S. Boyko. Aeronautical vehicles and flights on them. Simferopol. 2015, p. 502, fig. 369). A common disadvantage of these structures is a large number of propeller units located along the perimeter of the shell to ensure the stabilization of the airship under wind loads and to move cargo within the construction site. Their total mass required an additional increase in the carrying volume of the shell.

Американская фирма "Магнус аэроспэйс" с 1983 г. вела работы но созданию гибридных дирижаблей типа LTA 20-1. Оболочки аппаратов этой фирмы были сферической формы. Винтомоторные установки устанавливались на выносных несущих поверхностях, которые, вращаясь вместе с оболочкой вокруг ее вертикальной оси, должны были создавать дополнительную аэродинамическую подъемную силу. Были успешно испытаны несколько моделей такого аппарата диаметром до 4 м и массой свыше 8 кг. Дирижабли предназначались в первую очередь для перевозки древесины. (Ю.С. Бойко. Воздухоплавательные аппараты и полеты на них. Симферополь. 2015 г. стр. 469. рис. 333). Недостатки этого типа конструкций дирижаблей связаны с большими центробежными нагрузками на винтомоторные установки и аппарат в целом. Кроме того существует проблема стабилизации перевозимого груза, особенно при воздействии ветровых нагрузок.Since 1983, the American company Magnus Aerospace has been working on the creation of hybrid airships of the LTA 20-1 type. The shells of the devices of this company were spherical in shape. Propeller installations were installed on remote bearing surfaces, which, rotating together with the shell around its vertical axis, were supposed to create additional aerodynamic lift. Several models of such an apparatus with a diameter of up to 4 m and a mass of more than 8 kg were successfully tested. Airships were intended primarily for the transport of timber. (Yu.S. Boyko. Aeronautical vehicles and flights on them. Simferopol. 2015, p. 469. Fig. 333). The disadvantages of this type of airship designs are associated with large centrifugal loads on the propeller units and the apparatus as a whole. In addition, there is the problem of stabilizing the transported cargo, especially when exposed to wind loads.

В Советском Союзе в феврале 1977 года проходили испытания прототипа управляемого грузоподъемного аэростата ЭМА-10, созданного специалистами Министерства монтажных и специальных строительных работ СССР (ныне корпорация «Монтажспецстрой»). Прототип ЭМА-10 имел линзообразную форму оболочки с узлом подцепа груза в центре. На уровне периметра оболочки диаметрально противоположно располагались два электродвигателя с винтами в кольце (http://visualrian.ru/hier_rubric/photo_historic/6521903.html). Управление электродвигателями винтов осуществлялось с выносного пульта, объединенного с питающим электрическим кабелем.In the Soviet Union in February 1977, a prototype of the EMA-10 controlled cargo-lifting balloon, created by specialists from the USSR Ministry of Assembly and Special Construction Works (now the Montazhspetsstroy corporation), was tested. The EMA-10 prototype had a lenticular shell shape with a load hook assembly in the center. At the level of the perimeter of the shell, two electric motors with screws in the ring were located diametrically opposite (http://visualrian.ru/hier_rubric/photo_historic/6521903.html). The propeller motors were controlled from a remote control panel, combined with a power cable.

Прототип ЭМА-10 является наиболее близким аналогом предложенного изобретения дирижабля-крана. Однако, он имеет ряд принципиальных недостатков. Без оперения аппарат аэродинамически неустойчив в воздушном потоке. Электрические винтомоторные установки установлены непосредственно на оболочке и не способны полностью парировать действие на нее ветровых нагрузок, что создает опасность неконтролируемого уноса груза со строительной площадки с обрывом управляющего и питающего кабеля. Крепление винтомоторных установок на периметре линзообразной оболочки требует соответствующих протяженных силовых элементов, воспринимающих все виды приложенных сил. Необходимость компенсации массы силовых элементов и массы винтомоторных установок увеличивает потребный аэростатический объем оболочки, если задано значение максимального веса поднимаемого груза. Кроме того, при перебазировании аппарата такого типа на новое место строительных работ приходится откачивать подъемный газ из оболочки и упаковывать ее в транспортный контейнер. Далее, по прибытию к месту нового использования необходимо выполнить операции развертывания оболочки и подготовки ее к работе. Следовательно, в комплекте мобильного комплекса должны быть специальные машины, оборудованные автономными компрессорами и баллонами высокого давления для транспортировки подъемного газа вместе с комплексом. Сжатие подъемного газа (до ~400 атм) требует значительных затрат энергии на работу компрессоров. К тому же, спецмашины не всегда могут проехать к месту развертывания комплекса, что вносит дополнительные трудности в его эксплуатацию.The prototype EMA-10 is the closest analogue of the proposed invention of the airship-crane. However, it has a number of fundamental shortcomings. Without plumage, the apparatus is aerodynamically unstable in the air stream. Electric propeller units are installed directly on the shell and are not able to fully parry the action of wind loads on it, which creates the risk of uncontrolled carryover of cargo from the construction site with a break in the control and power cables. Mounting propeller installations on the perimeter of the lenticular shell requires appropriate extended power elements that perceive all types of applied forces. The need to compensate for the mass of power elements and the mass of propeller installations increases the required aerostatic volume of the shell, if the value of the maximum weight of the lifted load is set. In addition, when relocating an apparatus of this type to a new construction site, it is necessary to pump out the lifting gas from the shell and pack it in a shipping container. Further, upon arrival at the place of new use, it is necessary to perform the operations of deploying the shell and preparing it for work. Therefore, the set of the mobile complex should include special machines equipped with independent compressors and high-pressure cylinders for transporting lifting gas together with the complex. Compressing the lifting gas (up to ~400 atm) requires a significant amount of energy to operate the compressors. In addition, special vehicles are not always able to drive to the place of deployment of the complex, which introduces additional difficulties in its operation.

Задачей изобретения является создание комплекса дирижабля-крана, в котором устраняются недостатки аналога и обеспечивается высокий уровень безопасности проведения строительных работ на труднодоступных участках.The objective of the invention is to create a complex airship-crane, which eliminates the disadvantages of analogue and provides a high level of safety of construction work in hard-to-reach areas.

Задача изобретения решается тем, что при выполнении крановых строительных работ аэростатная несущая оболочка отделена от подвесной кабины, а при перебазировании аэростатная несущая оболочка и подвесная кабина с загруженным в грузовой отсек оборудованием соединяются вместе, образуя конфигурацию дирижабля, который обеспечивает перебазирование комплекса на новое место строительства.The objective of the invention is solved by the fact that when performing crane construction work, the balloon carrier shell is separated from the suspended cabin, and when relocated, the balloon carrier shell and the suspended cabin with equipment loaded into the cargo compartment are connected together, forming an airship configuration, which ensures the relocation of the complex to a new construction site.

Полученный технический результат характеризуется следующими существенным признаками:The obtained technical result is characterized by the following essential features:

- для обеспечения возможности получения максимальной грузоподъемности при выполнении крановых операций, подвесная кабина отсоединена от аэростатической оболочки и находится на земле;- to ensure the possibility of obtaining the maximum lifting capacity when performing crane operations, the suspended cabin is disconnected from the aerostatic shell and is on the ground;

- несущая аэростатическая оболочка в конфигурации крана снабжена креплением к земле при помощи тросов переменной длины, которые связаны с барабанами лебедок, создающих свободу перемещения груза по высоте и в пределах строительной площадки;- the load-bearing aerostatic shell in the configuration of the crane is equipped with fastening to the ground using cables of variable length, which are connected to the winch drums, which create freedom of movement of the load along the height and within the construction site;

- лебедка, установленная на борту аэростатической оболочки, создает дополнительную свободу перемещения груза по высоте, обеспечивая возможность точного монтажа груза;- a winch installed on board the aerostatic shell creates additional freedom of movement of the cargo in height, providing the possibility of precise installation of the cargo;

- по окончании строительства подвесная кабина, вместе с комплектом лебедок и оборудованием во внутреннем грузовом отсеке, соединяется с несущей аэростатической оболочкой посредством узлов подвеса, образуя конфигурацию дирижабля;- upon completion of construction, the suspended cabin, together with a set of winches and equipment in the internal cargo compartment, is connected to the aerostatic shell by means of suspension units, forming an airship configuration;

- при помощи силы тяги винтомоторных установок и развитого хвостового оперения подвесной кабины обеспечивается возможность поддержания крейсерской скорости полета и возможность управления дирижаблем-краном в полете во время перебазирования на новое место строительства.- with the help of the thrust force of the propeller-driven installations and the developed tail of the suspended cabin, it is possible to maintain the cruising flight speed and the ability to control the airship-crane in flight during relocation to a new construction site.

На Фиг. 1 показано устройство элементов комплекса дирижабля-крана и вид его крановой конфигурации во время проведения грузоподъемных операций в пределах строительной площадки.On FIG. 1 shows the arrangement of the elements of the airship-crane complex and the view of its crane configuration during lifting operations within the construction site.

На Фиг. 2 показан вид стартовой конфигурации дирижабля-крана в момент взлета и в полете при перебазировании комплекса на новое место строительства.On FIG. 2 shows a view of the starting configuration of the airship-crane at the time of takeoff and in flight when the complex is relocated to a new construction site.

Устройство комплекса дирижабля-крана по Фиг. 1 включает: несущую аэростатическую оболочку (1), лебедки (2), кабель-канаты лебедок (3), причальную бортовую платформу (4), бортовую лебедку (5), подвесную кабину с винтомоторной группой и развитым хвостовым оперением (6), оператора с переносным пультом управления (7), монтажный груз (8), элементы возводимого объекта строительства (9), строительную площадку (10).The device of the airship-crane complex according to Fig. 1 includes: load-bearing aerostatic shell (1), winches (2), cable ropes of winches (3), mooring onboard platform (4), onboard winch (5), suspended cabin with propeller group and developed tail unit (6), operator with a portable control panel (7), mounting weight (8), elements of the construction object under construction (9), construction site (10).

Устройство комплекса дирижабля-крана работает следующим образом (Фиг. 1 и 2):The device of the airship-crane complex works as follows (Fig. 1 and 2):

В крановой конфигурации на строительной площадке (10) (Фиг. 1) аэростатная несущая оболочка (1) удерживается на заданной высоте при помощи нескольких (не менее 3-х) лебедок (2) и тросов переменной дины (3), закрепленных на причальной бортовой платформе (4). Бортовая лебедка (5) обеспечивает подъем и опускание груза (8) в вертикальном направлении при его установке на объект строительства (9). Оператор (7) с переносного пульта управляет работой лебедок (2) и (5) во время подъема груза (8) с площадки и его переноса на объект (9). Управление продольным переносом груза в пределах строительной площадки (10) осуществляется путем удлинения тросов, например, задних лебедок и укорочением тросов передних и наоборот. Управление боковым переносом груза осуществляется путем удлинения тросов, например, левых лебедок и укорочением тросов правых и наоборот. Лебедка (5), как правило, задействуется только при подъеме груза с площадки и его опускании на объект (9). При выполнении крановых строительных операций подвесная кабина (6), включающая винтомоторные установки и хвостовое оперение, находится на земле в режиме ожидания окончания строительства. В плохую и морозную погоду оператор (7) может осуществлять управление переносным пультом, находясь непосредственно в кабине подвесной кабины (6). Для этого она располагается на земле так, чтобы сектор обзора охватывал всю зону перемещения строительных грузов.In the crane configuration at the construction site (10) (Fig. 1), the balloon carrier shell (1) is held at a given height with the help of several (at least 3) winches (2) and variable-length cables (3) attached to the berth side platform (4). The side winch (5) provides lifting and lowering of the load (8) in the vertical direction when it is installed on the construction site (9). The operator (7) controls the operation of the winches (2) and (5) from the portable console while lifting the load (8) from the site and transferring it to the object (9). The control of the longitudinal transfer of cargo within the construction site (10) is carried out by lengthening the cables, for example, the rear winches and shortening the front cables and vice versa. The control of the lateral transfer of cargo is carried out by lengthening the cables, for example, of the left winches and shortening the cables of the right ones and vice versa. The winch (5), as a rule, is activated only when lifting the load from the platform and lowering it onto the object (9). When performing crane construction operations, the suspended cabin (6), including propeller-driven installations and tail unit, is on the ground in the mode of waiting for the completion of construction. In bad and frosty weather, the operator (7) can control the portable console, being directly in the cab of the suspended cab (6). To do this, it is located on the ground so that the viewing sector covers the entire area of movement of construction materials.

По окончании строительства и назначения нового пункта перебазирования подвесная кабина подводится под крюк лебедки (5). Крюк зацепляется за специальный узел на углублении верхней поверхности подвесной кабины (6). Затем включаются лебедки (2) и (5) на подтягивание аэростатной оболочки (1) к подвесной кабине (6). Перед этой операцией в грузовой отсек подвесной кабины (6) загружается балласт, вес которого в сумме с весом подвесной кабины (6) превышает на 15-20% максимальную всплывную силу аэростатной оболочки (1). Оболочка (1), подтянутая к подвесной кабине (6), соединяется с ней узлами подвеса на причальной бортовой платформе (4). Троса (3) отцепляются от нее и сматываются на барабаны лебедок (2). Лебедки (2) упаковываются и вместе с другим перевозимым оборудованием погружаются в грузовой отсек подвесной кабины (6). При этом загруженный ранее в подвесную кабину (6) балласт удаляется из грузового отсека. Общий вес подвесной кабины (6) с экипажем, топливом на полет, лебедками и оборудованием рассчитывается так, чтобы в сумме он превышал всплывную силу несущей оболочки на 5-15%. Большие значения относятся к варианту с газотурбинными винтомотрными установками. Меньшие значения - к электрическим винтомоторным установкам, работающим от батарей бортовых аккумуляторов.Upon completion of construction and the appointment of a new relocation point, the suspended cabin is brought under the winch hook (5). The hook is hooked to a special knot on the recess of the upper surface of the suspended cab (6). Then the winches (2) and (5) are turned on to pull the balloon shell (1) to the suspended cabin (6). Before this operation, ballast is loaded into the cargo compartment of the suspended cabin (6), the weight of which, together with the weight of the suspended cabin (6), exceeds the maximum pop-up force of the balloon shell (1) by 15-20%. The shell (1), pulled up to the suspended cabin (6), is connected to it by suspension nodes on the mooring side platform (4). The ropes (3) are unhooked from it and wound onto the winch drums (2). Winches (2) are packed and, together with other transported equipment, are loaded into the cargo compartment of the suspended cabin (6). In this case, the ballast previously loaded into the suspended cabin (6) is removed from the cargo compartment. The total weight of the suspended cabin (6) with the crew, fuel for the flight, winches and equipment is calculated so that in total it exceeds the floating force of the carrier shell by 5-15%. Larger values refer to the variant with gas turbine propeller units. Smaller values apply to electric propeller-driven installations powered by on-board batteries.

Несущая оболочка, соединенная с подвесной кабиной, образуют дирижабельную конфигурацию аппарата (Фиг. 2), готовую к перебазированию. Экипаж запускает двигатели, осуществляет их поворот на угол 3 и увеличивает режим до взлетного. Дирижабль-кран отрывается от земли и уходит в набор высоты эшелона полета 400-600 м. Ввиду повышенного аэродинамического сопротивления несущей оболочки, крейсерские скорости полета при проектировании комплекса выбираются ниже средних - в пределах 60-70 км/ч.The carrier shell, connected to the suspended cabin, form an airship configuration of the apparatus (Fig. 2), ready for relocation. The crew starts the engines, rotates them through an angle of 3 and increases the mode to takeoff. The airship-crane lifts off the ground and climbs to a flight level of 400-600 m. Due to the increased aerodynamic resistance of the carrier shell, cruising flight speeds when designing the complex are chosen below average - within 60-70 km/h.

После посадки на новой строительной площадке все операции развертывания комплекса выполняются в порядке обратном свертыванию.After landing on a new construction site, all deployment operations of the complex are performed in the reverse order of folding.

Предложенное устройство комплекса дирижабля-крана по сравнению с ближайшим аналогом позволило:The proposed arrangement of the airship-crane complex, in comparison with the closest analogue, made it possible to:

За счет возможности разделения и соединения аэростатной несущей оболочки с подвесной кабиной дирижабля-крана:Due to the possibility of separation and connection of the balloon carrier shell with the suspended cabin of the airship-crane:

- получить максимально простую и надежную конструкцию комплекса;- get the most simple and reliable design of the complex;

- исключить размещение винтомоторных установок непосредственно на несущей оболочке;- exclude the placement of propeller installations directly on the carrier shell;

- устранить соответствующие протяженные силовые элементы в оболочке для крепления винтомоторных установок;- eliminate the corresponding extended power elements in the shell for fastening propeller installations;

- достигнуть максимальной грузоподъемности дирижабля-крана при наименьших объемах несущего газа в оболочке;- to achieve the maximum carrying capacity of the airship-crane with the smallest volumes of carrier gas in the shell;

- обеспечить аэродинамическую устойчивость дирижабля-крана в полете за счет развитого хвостового оперения на подвесной кабине;- to ensure the aerodynamic stability of the airship-crane in flight due to the developed tail unit on the suspended cabin;

- исключить, при перебазировании комплекса операции по откачке подъемного газа и его наполнения на новой площадке строительства;- exclude, when relocating the complex, operations for pumping out lifting gas and filling it at a new construction site;

- исключить операции по упаковке и распаковке несущей оболочки;- exclude operations for packing and unpacking the carrier shell;

- исключить необходимость в сопровождении комплекса специальными машинами, оборудованными автономными компрессорами и баллонами высокого давления для транспортировки подъемного газа (используются только сезонно для подполнения оболочки несущим газом (зимой) или удаления лишнего (летом)).- eliminate the need to accompany the complex with special vehicles equipped with autonomous compressors and high-pressure cylinders for transporting lifting gas (used only seasonally to replenish the shell with carrier gas (in winter) or remove excess gas (in summer)).

- обеспечить высокую безопасность строительных работ, в том числе, в плохую погоду и зимой.- ensure high safety of construction work, including in bad weather and in winter.

Claims (1)

Устройство комплекса дирижабля-крана, содержащего несущую аэростатическую оболочку, подвесную кабину, винтомоторные установки с тяговыми винтами, грузовые лебедки с тросовой системой и пульт управления, отличающееся тем, что для обеспечения возможности получения максимальной грузоподъемности при выполнении крановых операций подвесная кабина выполнена с возможностью отсоединения от аэростатической оболочки и нахождения на земле, а сама несущая аэростатическая оболочка в конфигурации крана снабжена креплением к земле при помощи тросов переменной длины, которые связаны с барабанами лебедок, создающих свободу перемещения груза по высоте и в пределах строительной площадки, при этом лебедка, установленная на борту аэростатической оболочки, создает дополнительную свободу перемещения груза по высоте, обеспечивая возможность точного монтажа груза, причем по окончании строительства подвесная кабина, вместе с комплектом лебедок и оборудованием во внутреннем грузовом отсеке, выполнена с возможностью соединения с несущей аэростатической оболочкой посредством узлов подвеса, образуя конфигурацию дирижабля, который при помощи силы тяги винтомоторных установок и развитого хвостового оперения подвесной кабины обеспечивает возможность поддержания крейсерской скорости полета и возможность управления дирижаблем-краном в полете во время перебазирования на новое место строительства.The device of an airship-crane complex containing a load-bearing aerostatic shell, a suspended cabin, propeller-driven installations with traction screws, cargo winches with a cable system and a control panel, characterized in that, in order to ensure the possibility of obtaining the maximum load capacity when performing crane operations, the suspended cabin is made with the possibility of disconnection from aerostatic shell and being on the ground, and the bearing aerostatic shell itself in the crane configuration is equipped with fastening to the ground using cables of variable length, which are connected to winch drums, creating freedom of movement of cargo in height and within the construction site, while the winch installed on board aerostatic shell, creates additional freedom of movement of cargo in height, providing the possibility of precise installation of the cargo, and upon completion of construction, the suspended cabin, together with a set of winches and equipment in the internal cargo compartment, is made with the possibility of connection with the carrier aerostatic shell through suspension units, forming the configuration of an airship , which, with the help of the thrust of propeller-driven installations and the developed tail of the suspended cabin, provides the ability to maintain cruising flight speed and the ability to control the airship-crane in flight during relocation to a new construction site.

Images