RU208244U1

RU208244U1 - Blade - rotor

Info

Publication number: RU208244U1
Application number: RU2021100107U
Authority: RU
Inventors: Герман Васильевич Половинкин
Original assignee: Герман Васильевич Половинкин
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2021-12-09

Abstract

Полезная модель относится к устройствам, реализующим эффект Магнуса, и направлена на максимально эффективное использование физического явления, возникающего при обтекании вращающегося тела (цилиндра) потоком воздуха. Используя лопасти-роторы можно в 2-4 раза повысить подъемную или тянущую силу аппаратов, при той же мощности двигателя.Лопасть-ротор представляет собой круговой цилиндр с установленными по всей длине через определенные или различные промежутки аэродинамическими гребнями. Лопасть-ротор состоит из секций; каждая секция образована несколькими, от 1 до 24, продольными сегментами, имеющими в развертке форму параллелограмма и собранными таким образом, что один продольный край сегмента является наружным и выступающим по направлению вращения, при этом кромка наружного края имеет тупую или закругленную форму; между секциями и на законцовке лопасти-ротора установлены по окружности от 2 до 8 аэродинамических гребня, выполненных в форме сектора кольца и выступающих за диаметр лопасти-ротора; передний и задний края аэродинамического гребня, образованные радиальными линиями, имеют заостренную кромку, а передний край, по направлению вращения лопасти-ротора, предыдущего гребня отклонен на угол и заходит под задний край последующего гребня с зазором, который составляет от 0,5 до 6 толщин аэродинамического гребня. Лопасть-ротор можно ставить на самолеты, вертолеты, надводные суда, ветрогенераторы. Лопасти-роторы, собранные в виде винта, используют, например, в качестве несущего винта вертолета; на ветрогенераторах. 3 ил.The utility model relates to devices that implement the Magnus effect and is aimed at the most efficient use of the physical phenomenon that occurs when air flows around a rotating body (cylinder). Using rotor blades, it is possible to increase the lifting or pulling force of the apparatus by 2-4 times, with the same engine power. The rotor blade is a circular cylinder with aerodynamic ridges installed along its entire length at certain or various intervals. The rotor blade consists of sections; each section is formed by several, from 1 to 24, longitudinal segments having the shape of a parallelogram in the development and assembled in such a way that one longitudinal edge of the segment is external and protruding in the direction of rotation, while the edge of the outer edge has a blunt or rounded shape; Between the sections and at the tip of the rotor blade, from 2 to 8 aerodynamic ridges are installed around the circumference, made in the form of a sector of the ring and protruding beyond the diameter of the rotor blade; the front and rear edges of the aerodynamic ridge, formed by radial lines, have a pointed edge, and the leading edge, in the direction of rotation of the rotor blade, of the previous ridge is deflected at an angle and goes under the rear edge of the next ridge with a gap that ranges from 0.5 to 6 thicknesses aerodynamic ridge. The rotor blade can be installed on airplanes, helicopters, surface vessels, wind turbines. The rotor blades, assembled in the form of a screw, are used, for example, as a main rotor of a helicopter; on wind turbines. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам, реализующим эффект Магнуса, и направлена на максимально эффективное использование физического явления, возникающего при обтекании вращающегося тела (цилиндра) потоком воздуха.The utility model refers to devices that implement the Magnus effect, and is aimed at the most efficient use of the physical phenomenon that occurs when air flows around a rotating body (cylinder).

Известно применение эффекта Магнуса в различных областях техники: судостроение, авиация, ветроэнергетика.Known application of the Magnus effect in various fields of technology: shipbuilding, aviation, wind power.

Известен самолет вертикального взлета и посадки (патент DE 10241608 2003-12-11, МПК В64С 23/08) с двумя коаксиально установленными роторами встречного вращения - сложны в изготовлении и эксплуатации, а наличие приводов к лопастям существенно увеличивает массу устройства.Known vertical take-off and landing aircraft (patent DE 10241608 2003-12-11, IPC В64С 23/08) with two coaxially mounted counter-rotating rotors are difficult to manufacture and operate, and the presence of drives to the blades significantly increases the mass of the device.

Известен ветряной двигатель (авторское свидетельство СССР №10198, опубл. 1929.06.29, F03D 7/02) с лопастями в виде цилиндров, вращающихся вокруг своих осей.Known wind engine (USSR author's certificate No. 10198, publ. 1929.06.29, F03D 7/02) with blades in the form of cylinders rotating around their axes.

Устройство сложное по конструкции и требует высокой квалификации при обслуживании и ремонте.The device is complex in design and requires high qualifications for maintenance and repair.

Для увеличения подъемной силы, обусловленной эффектом Магнуса, используют диски, устанавливаемые на лопасти:To increase the lifting force due to the Magnus effect, blade-mounted discs are used:

- установленные с некоторым интервалом вдоль продольной оси плоской лопасти (патент РФ 2570741, опубл. 10.12.2015, МПК В64С 23/08) - недостаточная подъемная сила плоской лопасти;- installed at a certain interval along the longitudinal axis of the flat blade (RF patent 2570741, publ. 10.12.2015, IPC В64С 23/08) - insufficient lifting force of the flat blade;

- вращающиеся от собственных приводов с регулируемой скоростью вокруг продольной оси лопасти (заявка DE 102013005917 2014-10-02, МПК В63Н 9/02, авторское свидетельство СССР №4569, опубл. 29.02.1928, МПК В64С 23/02) - сложны в изготовление и управлении, а наличие приводов к дискам существенно увеличивает массу устройства.- rotating from their own drives with adjustable speed around the longitudinal axis of the blade (application DE 102013005917 2014-10-02, IPC V63N 9/02, USSR author's certificate No. 4569, publ. 02/29/1928, IPC В64С 23/02) - difficult to manufacture and management, and the presence of disk drives significantly increases the weight of the device.

Известно использование гребней (ребер), уменьшающих срыв потока с профиля лопасти (патент РФ 2376202, опубл. 20.12.2009, МПК В64С 27/467; патент РФ 2330988, опубл. 10.08.2008, МПК F03D 1/06). Недостатком подобных решений является в первом случае - малый прирост подъемной силы плоской лопасти и сложная геометрия гребня, а во втором - трудоемкость изготовления и установки гребней из-за сложной их формы.It is known to use ridges (ribs) that reduce the flow stall from the blade profile (RF patent 2376202, publ. 20.12.2009, IPC В64С 27/467; RF patent 2330988, published 10.08.2008, IPC F03D 1/06). The disadvantage of such solutions is in the first case - a small increase in the lifting force of a flat blade and a complex geometry of the ridge, and in the second - the laboriousness of the manufacture and installation of the ridges due to their complex shape.

Полезная модель направлена на повышение эффективности устройств при использовании эффекта Магнуса.The utility model is aimed at increasing the efficiency of devices using the Magnus effect.

Для наилучшего распределения поперечно-движущей силы по длине цилиндрических лопастей-роторов (создающих подъемную силу, обусловленную эффектом Магнуса), вращаемых по продольной оси, через определенные или различные промежутки (секции) по длине лопасти-ротора установлены аэродинамические гребни. Секция образована несколькими сегментами, имеющими форму параллелограмма и собранными таким образом, что один продольный край сегмента является наружным и выступающим. Аэродинамические гребни, установленные по окружности между секциями и на законцовке лопасти-ротора, выполнены в форме сектора кольца. При этом передний и задний края аэродинамического гребня, образованные радиальными линиями, имеют заостренную кромку, а передний край (по направлению вращения лопасти-ротора) предыдущего гребня отклонен на угол и заходит под задний край последующего гребня с зазором, который может составлять от 0,5 до 6 толщин самого гребня.For the best distribution of the transverse driving force along the length of the cylindrical rotor blades (creating a lifting force due to the Magnus effect) rotating along the longitudinal axis, aerodynamic ridges are installed at certain or different intervals (sections) along the length of the rotor blade. The section is formed by several parallelogram-shaped segments assembled in such a way that one longitudinal edge of the segment is external and projecting. Aerodynamic ridges installed around the circumference between the sections and at the tip of the rotor blade are made in the form of a ring sector. In this case, the front and rear edges of the aerodynamic ridge, formed by radial lines, have a sharpened edge, and the front edge (in the direction of rotation of the rotor blade) of the previous ridge is deflected by an angle and goes under the rear edge of the next ridge with a gap, which can be from 0.5 up to 6 ridge thicknesses.

Лопасть-ротор можно ставить на самолеты, вертолеты, надводные суда, ветрогенераторы. Лопасти-роторы, собранные в виде винта, используют, например, в качестве несущего винта вертолета; на ветрогенераторах.The rotor blade can be installed on airplanes, helicopters, surface ships, wind turbines. The rotor blades, assembled in the form of a propeller, are used, for example, as the main rotor of a helicopter; on wind turbines.

Предложенная конструкция лопастей-роторов обеспечивает необходимую подъемную силу, при этом несложна в изготовлении.The proposed design of the rotor blades provides the necessary lifting force, while being easy to manufacture.

Полезная модель поясняется рисунками:The utility model is illustrated by drawings:

на фиг. 1 - общий вид лопасти-ротора;in fig. 1 - General view of the rotor blade;

на фиг. 2 - развертка секции лопасти-ротора;in fig. 2 - sweep of the section of the blade-rotor;

на фиг. 3 - зазор между гребнями.in fig. 3 - the gap between the ridges.

Лопасть-ротор 1 (фиг. 1) представляет собой круговой цилиндр, разбитый по длине на секции 2. Секции 2 образованы несколькими (от 1 до 24) продольными сегментами 3. Развертка сегмента 3 представляет собой параллелограмм (фиг. 2). Сегменты расположены таким образом, что передний (выступающий) край каждого предыдущего заходит на задний край каждого последующего по направлению вращения лопасти-ротора. Передний (выступающий) край сегментов имеет тупую или закругленную кромку.The rotor blade 1 (Fig. 1) is a circular cylinder, divided in length into sections 2. Sections 2 are formed by several (from 1 to 24) longitudinal segments 3. The sweep of segment 3 is a parallelogram (Fig. 2). The segments are located in such a way that the front (protruding) edge of each previous one comes to the rear edge of each next one in the direction of rotation of the blade-rotor. The front (protruding) edge of the segments has a blunt or rounded edge.

Между секциями 2 лопасти-ротора 1, а также на ее законцовке установлены аэродинамические гребни 4, выступающие за диаметр лопасти-ротора на высоту h. Число аэродинамические гребней, установленных по окружности, может быть от 2 до 8. Аэродинамический гребень 4 представляет собой сектор кольца. Передний и задний края аэродинамического гребня, образованные радиальными линиями, имеют заостренную кромку (фиг. 3), при этом передний край (по направлению вращения лопасти-ротора) предыдущего гребня отклонен на угол и заходит под задний край последующего гребня с зазором, который может составлять от 0,5 до 6 толщин самого гребня.Between the sections 2 of the rotor blade 1, as well as at its tip, aerodynamic ridges 4 are installed, protruding beyond the diameter of the rotor blade to a height h. The number of aerodynamic ridges installed around the circumference can be from 2 to 8. Aerodynamic ridge 4 is a sector of the ring. The front and rear edges of the aerodynamic ridge, formed by radial lines, have a sharpened edge (Fig. 3), while the front edge (in the direction of rotation of the rotor blade) of the previous ridge is deflected at an angle and goes under the rear edge of the next ridge with a gap, which can be from 0.5 to 6 times the thickness of the ridge itself.

Высота h гребня; количество аэродинамических гребней по окружности и по длине лопасти-ротора; количество секций и составляющих их сегментов принимаются исходя из требуемой грузоподъемности и/или скорости летательного аппарата или устройства. Длина секций, диаметр и длина самой лопасти-ротора также обусловлены требуемыми характеристиками устройств. Причем, чем больше диаметр лопасти, тем выше грузоподъемность и меньше скорость, и наоборот. Части лопасти-ротора, расположенные ближе к центру винта, практически не участвуют в создании подъемной силы, поэтому эти секции будут короче, количество гребней при этом увеличится, установленное при этом большее количество гребней принудительно заставит работать эту часть лопасти-ротора. Круглая форма лопастей - роторов значительно уменьшает вибрацию, передающуюся на летательный аппарат или устройство, т.к. круглое сечение равномерно воспринимает нагрузки со всех сторон и потому менее подвержено разно-переменным нагрузкам.Ridge height h; the number of aerodynamic ridges around the circumference and along the length of the rotor blade; the number of sections and their constituent segments are taken based on the required carrying capacity and / or speed of the aircraft or device. The length of the sections, the diameter and length of the rotor blade itself are also determined by the required characteristics of the devices. Moreover, the larger the blade diameter, the higher the lifting capacity and the lower the speed, and vice versa. The parts of the rotor blade, located closer to the center of the rotor, practically do not participate in the creation of the lifting force, therefore, these sections will be shorter, the number of ridges will increase, and a larger number of ridges installed will force this part of the rotor blade to work. The round shape of the blades - rotors significantly reduces vibration transmitted to the aircraft or device, because a circular cross-section evenly perceives loads from all sides and therefore is less susceptible to differently variable loads.

Выступающий край сегмента секции с тупой или закругленной кромкой за счет геометрической формы (параллелограмм) самого сегмента и относительно оси вращения винта, находится под одним и тем же углом к встречному потоку воздуха, равномерно захватывая воздух по всей длине кромки сегмента и снижая скорость отбрасывания воздуха центробежными силами наружу, что положительно сказывается на подъемной силе. При этом можно уменьшить угол α° по отношению к общему потоку воздуха до 45° для эффективного захвата потока воздуха, т.к. при таком расположении сегмента воздух не отбрасывается под действием центробежных сил на периферию (наружу (к концу)) секции, а наоборот направляется вдоль выступающего края сегмента секции внутрь к началу секции, тем самым снижает скорость потока воздуха и увеличивает ее подъемную силу. Чем меньше угол α по отношению к общему потоку воздуха при вращении винта, тем равномернее или эффективнее по своей длине кромка сегмента захватывает поток воздуха.The protruding edge of a segment of a section with a blunt or rounded edge due to the geometric shape (parallelogram) of the segment itself and relative to the axis of rotation of the screw, is at the same angle to the oncoming air flow, evenly capturing air along the entire length of the edge of the segment and reducing the speed of air throwing by centrifugal forces outward, which has a positive effect on the lifting force. In this case, the angle α ° in relation to the total air flow can be reduced to 45 ° to effectively capture the air flow, because With such an arrangement of the segment, the air is not thrown under the action of centrifugal forces to the periphery (outward (towards the end)) of the section, but, on the contrary, is directed along the protruding edge of the section segment inward to the beginning of the section, thereby reducing the air flow rate and increasing its lifting force. The smaller the angle α in relation to the total air flow during the rotation of the screw, the more uniformly or more efficiently along its length the edge of the segment captures the air flow.

При небольших диаметрах лопасти-ротора большое количество сегментов в секции не создает необходимую подъемную силу, т.к. близкорасположенные выступающие кромки сегментов, из-за большего угла между кромкой сегмента начала секции и кромкой конца секции следующего сегмента, создают ненужное завихрение в концевой части секции, что отрицательно сказывается при создании подъемной силы.With small diameters of the rotor blade, a large number of segments in the section does not create the necessary lifting force, because the closely spaced protruding edges of the segments, due to the larger angle between the edge of the segment of the beginning of the section and the edge of the end of the section of the next segment, create unnecessary vortex in the end part of the section, which negatively affects the creation of lift.

Закругленные или тупые кромки краев сегментов работают на увеличение подъемной силы. А заостренные кромки аэродинамических гребней устраняют ненужное местное завихрение. Воздух, проходя через зазор между гребнями с большой скоростью, дополнительно тормозит отбрасываемый к ним центробежными силами встречный поток. Наличие зазоров между гребнями снижает шум от срывающегося потока воздуха. Аэродинамические гребни на законцовках лопасти-ротора также уменьшают срыв потока воздуха.The rounded or blunt edges of the segment edges work to increase the lift. And the pointed edges of the aerodynamic ridges eliminate unnecessary local turbulence. Air, passing through the gap between the ridges at high speed, additionally slows down the counter flow thrown towards them by centrifugal forces. The presence of gaps between the ridges reduces noise from the blowing air stream. Aerodynamic ridges at the rotor blade tips also reduce air stall.

Лопасти-роторы можно ставить как на самолет, так и на вертолет, а также на надводные суда и ветрогенераторы. Лопасть-ротор вращается за счет электромоторов (не показано на чертеже), которые могут находиться как внутри лопасти-ротора, так и снаружи.The rotor blades can be installed on both an aircraft and a helicopter, as well as on surface ships and wind turbines. The rotor blade rotates due to electric motors (not shown in the drawing), which can be located both inside the rotor blade and outside.

Пример 1. При установке лопастей-роторов на летательный аппарат собранных в виде винта в количестве от 2 для легкого класса аппаратов до 8 для тяжелого класса. Подъемная или толкающая сила возникает при вращении самой лопасти вокруг своей оси и общего вращения всех лопастей (винта) двигателем в разные стороны, т.е. если двигатель вращает лопасти винта влево (против часовой стрелки), то сами лопасти-роторы вращаются вокруг своей оси вправо (по часовой стрелке). При этом над лопастями создается область разрежения воздуха, а под лопастями - область повышенного давления. За счет разности давлений возникает подъемная сила, тянущая летательный аппарат вверх или вперед. При этом с той стороны, где направление движения воздушной среды совпадает с направлением вихря, скорость передвижения среды увеличивается; с обратной стороны направление движения среды противоположно направлению вихря скорость среды уменьшается. За счет разностей скоростей среды с различных сторон вращающегося тела и появляется нескомпенсированная сила, ортогональная направлению движения среды. При этом используется эффект Магнуса - если поток воздуха или жидкости обтекает вращающееся тело, то возникает сила ортогональная потоку движения среды и действующая на это вращающееся тело.Example 1. When installing rotor blades on an aircraft assembled in the form of a propeller in an amount from 2 for a light class of vehicles to 8 for a heavy class. The lifting or pushing force arises when the blade itself rotates around its axis and the general rotation of all blades (propeller) by the engine in different directions, i.e. if the engine rotates the propeller blades to the left (counterclockwise), then the rotor blades themselves rotate around their axis to the right (clockwise). In this case, an area of rarefaction of air is created above the blades, and an area of increased pressure under the blades. The pressure difference creates a lift that pulls the aircraft upward or forward. In this case, from the side where the direction of movement of the air medium coincides with the direction of the vortex, the speed of movement of the medium increases; on the reverse side, the direction of motion of the medium is opposite to the direction of the vortex, the velocity of the medium decreases. Due to the differences in the velocities of the medium from different sides of the rotating body, an uncompensated force appears, orthogonal to the direction of motion of the medium. In this case, the Magnus effect is used - if the flow of air or liquid flows around a rotating body, then a force arises that is orthogonal to the flow of motion of the medium and acts on this rotating body.

Пример 2. Установка лопастей-роторов на водных судах или летательных аппаратах в виде отдельных самостоятельных элементов конструкции для создания движущей силы. Например, для летательных аппаратов в виде вращающихся крыльев.Example 2. Installation of rotor blades on watercraft or aircraft in the form of separate independent structural elements to create a driving force. For example, for aircraft in the form of rotating wings.

Аэродинамические гребни позволяют наиболее эффективно использовать подъемную силу по всей поверхности длины лопастей, т.к. притормаживают воздушный поток и не дают ему за счет центробежных сил перетекать на законцовки лопастей-роторов с большой скоростью, как это происходит на плоских лопастях или подкрученных винтах летательных аппаратов. За счет аэродинамических гребней уменьшается шум, т.к. воздушный поток, разбитый гребнями на несколько частей, не срывается с законцовок лопастей-роторов с большой скоростью.Aerodynamic ridges allow the most efficient use of lift over the entire surface of the length of the blades, because slow down the air flow and prevent it from flowing to the tips of the rotor blades at high speed due to centrifugal forces, as it happens on flat blades or twisted propellers of aircraft. Due to the aerodynamic ridges, noise is reduced, because the air flow, split into several parts by the ridges, does not break off from the tips of the rotor blades at high speed.

Лопасти роторы проще в изготовлении по сравнению с плоскими лопастями, имеющими сложную профилированную (криволинейную) формуThe rotor blades are easier to manufacture than flat blades with a complex profiled (curved) shape

Используя лопасти-роторы можно в 2-4 раза повысить подъемную или тянущую силу аппаратов, при той же мощности двигателя.Using rotor blades, it is possible to increase the lifting or pulling force of the apparatus by 2-4 times, with the same engine power.

Claims

1. A rotor blade, which is a circular cylinder with aerodynamic ridges installed along its entire length at certain or different intervals, characterized in that the rotor blade consists of sections, each section is formed by longitudinal segments that have a parallelogram shape in the sweep and are assembled in this way, that one longitudinal edge of the segment is outer and protruding in the direction of rotation, while the edge of the outer edge has a blunt or rounded shape, between the sections and at the tip of the rotor blade, aerodynamic ridges are installed around the circumference, made in the form of a ring sector and protruding beyond the diameter of the rotor blade , the front and rear edges of the aerodynamic ridge, formed by radial lines, have a sharpened edge, and the leading edge in the direction of rotation of the rotor blade of the previous ridge is deflected by an angle and goes under the rear edge of the next ridge with a gap that is from 0.5 to 6 thicknesses of the aerodynamic comb.

2. A rotor blade according to claim 1, characterized in that each section is formed by longitudinal segments in an amount from 2 to 24.

3. A rotor blade according to claim 1, characterized in that between the sections and at the tip of the rotor blade, 2 to 8 aerodynamic ridges are installed along the circumference.