RU2668766C1

RU2668766C1 - Device for inducing lift

Info

Publication number: RU2668766C1
Application number: RU2018102428A
Authority: RU
Inventors: Олег Леонидович Федоров
Original assignee: Олег Леонидович Федоров
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2018-10-02

Abstract

FIELD: aviation.SUBSTANCE: invention relates to aviation, in particular, to designs of thrusters for creation of lifting force. Device consists of a single-disk open centrifugal wheel with a two-way inlet of air medium and with straight radial blades (1), stationary convex-concave annular body (2). Body is a surface of rotation bounded by the upper and lower circles, with an acute angle of the outlet of the medium flow with respect to the horizontal of the inner surface of the body outer edge. On the inner surface of the body profiled blades of straightening device (3), brackets (4) for fixing to the body of bearing unit (5) of the centrifugal wheel drive are installed.EFFECT: increase in a specific thrust and decrease in the weight and dimensions of the device are achieved.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области авиации, в частности, к устройствам (движителям) для создания аэродинамической подъемной силы, и может быть применено в летательных аппаратах тяжелее воздуха с вертикальным взлетом или посадкой с вертикальным положением продольной оси при посадке.The invention relates to the field of aviation, in particular, to devices (propulsors) for creating aerodynamic lifting force, and can be used in aircraft heavier than air with vertical take-off or landing with the vertical position of the longitudinal axis during landing.

Из уровня техники известен летательный аппарат вертикального взлета и посадки из описания изобретения к патенту RU 2515949 C2, кл. B64C 29/00, опубл. 20.05.2014, бюл. №14, известен аэродинамический движитель, содержащий корпус в виде цилиндрической камеры с плоской верхней крышкой, под корпусом закреплена нижняя крышка в виде конической поверхности вращения с установленным осевым воздухозаборником. Между корпусом и конической крышкой размещено кольцевое выходное сопло, в которое встроен спрямляющий аппарат. Внутри камеры находится центробежное колесо с прямыми радиальными лопатками.The prior art aircraft vertical take-off and landing from the description of the invention to patent RU 2515949 C2, cl. B64C 29/00, publ. 05/20/2014, bull. No. 14, an aerodynamic propulsion device is known, comprising a housing in the form of a cylindrical chamber with a flat upper cover; a lower cover is fixed under the housing in the form of a conical surface of revolution with an installed axial air intake. Between the casing and the conical cover there is an annular output nozzle into which a straightening apparatus is integrated. Inside the chamber is a centrifugal wheel with straight radial blades.

Недостатком данного устройства является то, что у него недостаточно высокие энергетические характеристики, в частности, невысокая удельная тяга, что объясняется большими гидравлическими потерями при прохождении воздушной струи через спрямляющую решетку (аппарат) и кольцевое выходное сопло.The disadvantage of this device is that it does not have high enough energy characteristics, in particular, low specific thrust, which is explained by large hydraulic losses during the passage of an air stream through a straightening grid (apparatus) and an annular output nozzle.

Из патента RU 2618355 C1, кл. B64C 29/00, опубл. 03.05.2017, бюл. №13, известен аэродинамический движитель, содержащий однодисковое открытое центробежное колесо с двухсторонним входом воздушной среды и с прямыми радиальными лопатками, неподвижный выпукло-вогнутый кольцевой корпус, выполненный в виде поверхности вращения некоторой кривизны, ограниченной верхней и нижней окружностями диаметров D1 и D соответственно, на внутренней (вогнутой) поверхности которого установлены радиальные плоские лопатки спрямляющей решетки, кронштейны в виде стержней для крепления к корпусу привода и подшипниковый узел привода, угол выхода а внутренней поверхности наружной кромки корпуса является острым (порядка 45°÷55°) по отношению к горизонтали, а сама внутренняя поверхность имеет некоторый радиус кривизны.From patent RU 2618355 C1, cl. B64C 29/00, publ. 05/03/2017, bull. No. 13, an aerodynamic propulsion device is known that contains a single-disc open centrifugal wheel with a double-sided air inlet and with straight radial blades, a stationary convex-concave annular body made in the form of a surface of revolution of some curvature bounded by upper and lower circles of diameters D1 and D, respectively, the inner (concave) surface of which is installed radial flat vanes of the rectifier lattice, brackets in the form of rods for attachment to the drive housing and the bearing assembly rivoda, the exit angle and the inner surface of the outer edge of the body is sharp (about 45 ° ÷ 55 °) with respect to the horizontal, and the inner surface itself has a radius of curvature.

Это устройство наиболее близко по своей технической сути к предлагаемому изобретению (прототип).This device is closest in its technical essence to the proposed invention (prototype).

В результате анализа известных аэродинамических движителей установлено, что для улучшения (увеличения) основного энергетического показателя -удельной тяги q=Т \ NAs a result of the analysis of well-known aerodynamic propulsors, it was found that to improve (increase) the main energy indicator, specific thrust q = T \ N

(где: Т - подъемная сила (тяга) движителя, N - потребляемая движителем мощность) необходимо, с одной стороны, увеличивать тягу при заданных габаритах устройства, с другой, - снижать потребляемую мощность за счет различных конструктивных мероприятий, что является серьезной научно-технической проблемой.(where: T is the lifting force (thrust) of the propulsion device, N is the power consumed by the propulsion device) it is necessary, on the one hand, to increase traction at the given dimensions of the device, and on the other hand, to reduce power consumption due to various design measures, which is a serious scientific and technical a problem.

Технической задачей изобретения является повышение удельной тяги q устройства и уменьшение его массогабаритных показателей за счет снижения гидравлических потерь энергии воздушного потока в процессе ее передачи от движущихся механических частей движителя этому потоку.An object of the invention is to increase the specific thrust q of the device and reduce its overall dimensions by reducing the hydraulic energy loss of the air stream during its transmission from the moving mechanical parts of the mover to this stream.

Технический результат изобретения достигается тем, что в устройстве, включающем однодисковое открытое центробежное колесо с двухсторонним входом воздушной среды и с прямыми радиальными лопатками, неподвижный выпукло-вогнутый кольцевой корпус, выполненный в виде поверхности вращения некоторой кривизны, ограниченной верхней и нижней окружностями диаметров D1 и D соответственно, на внутренней (вогнутой) поверхности которого установлены радиальные профилированные лопатки спрямляющей решетки, кронштейны в виде стержней для крепления к корпусу привода и подшипниковый узел привода, угол выхода а (фиг. 1) внутренней поверхности наружной кромки корпуса является острым (порядка 45°÷55°) по отношению к горизонтали, а сама внутренняя поверхность имеет некоторый радиус кривизны.The technical result of the invention is achieved by the fact that in a device comprising a single-disc open centrifugal wheel with a two-sided air inlet and with straight radial blades, a stationary convex-concave annular body made in the form of a surface of revolution of some curvature bounded by upper and lower circles of diameters D1 and D accordingly, on the inner (concave) surface of which there are installed radial profiled blades of the rectifying lattice, brackets in the form of rods for attachment to rpusu drive bearing and drive unit, the output angle a (FIG. 1) of the inner surface of the outer edge of the body is sharp (about 45 ° ÷ 55 °) with respect to the horizontal, and the inner surface itself has a radius of curvature.

Профилирование лопаток спрямляющей решетки существенно уменьшает по сравнению с прототипом местные гидравлические потери при движении кольцевого веерного потока среды при входе в спрямляющую решетку, т.е. уменьшается так называемый коэффициент смягчения входа η_в, оценивающий величину гидравлических потерь при входе потока в спрямляющую решетку (В.Н. Талиев Аэродинамика вентиляции. М: Стройиздат, 1979, с. 84-86), поскольку вместо плоской лопатки решетки с острым носком, применена лопатка с закругленным по радиусу г носком, спрофилированная по форме носка профиля крыла.The profiling of the blades of the rectifier lattice significantly reduces, compared with the prototype, local hydraulic losses during the movement of the annular fan flow of the medium at the entrance to the rectifier lattice, i.e. decreases so-called Log η ratio mitigation _in estimating the magnitude of the hydraulic losses at the entrance into the flow rectifying grating (VN Taliyev Aerodynamics ventilation M:.. Stroyizdat, 1979, pp 84-86), because instead of a flat lattice blade with a sharp toe, a blade was used with a radially rounded toe, profiled in the shape of a wing profile toe.

На фиг. 1 представлена схема устройства для создания подъемной силы, на фиг. 2 показан вид А фиг. 1,In FIG. 1 is a diagram of a device for generating lift; FIG. 2 shows a view A of FIG. one,

Устройство состоит (фиг. 1) из одно дискового открытого центробежного колеса 1 с двухсторонним входом воздушной среды и с прямыми радиальными лопатками, неподвижного выпукло-вогнутого кольцевого корпуса 2, профилированных по форме носка профиля крыла лопаток спрямляющего устройства 3, кронштейнов 4, подшипникового узла 5 привода.The device consists (Fig. 1) of a single disk open centrifugal wheel 1 with a two-way air inlet and with straight radial blades, a fixed convex-concave annular body 2, profiled by the shape of the nose profile of the wing profile of the blades of the straightening device 3, brackets 4, bearing assembly 5 drive.

Уменьшение местных гидравлических потерь энергии потока (определяемых коэффициентом местного аэродинамического сопротивления ζ), обусловленных перестройкой поля скоростей и образованием на границах потока дополнительных вихрей, всегда приводит к увеличению кинетической энергии (а, стало быть, скорости υ отбрасываемого потока) и при заданном секундном расходе m отбрасываемой среды у наружной кромки корпуса 2 тяга устройства Т возрастет при той же потребляемой движителем мощности.A decrease in local hydraulic losses of the flow energy (determined by the local aerodynamic drag coefficient ζ) caused by the restructuring of the velocity field and the formation of additional vortices at the flow boundaries always leads to an increase in kinetic energy (and, therefore, the velocity υ of the rejected flow) and for a given second flow rate m the thrown medium at the outer edge of the housing 2, the thrust of the device T will increase at the same power consumed by the propulsion device.

Следовательно, возрастет и удельная тяга q. Это следует из того, что согласно закону сохранения импульса тягу данного устройства можно выразить равенством

. Однако, коэффициент ζ существенно зависит не только от угла поворота потока α, но и от коэффициента смягчения входа потока η_в (В.Н. Талиев Аэродинамика вентиляции. М.: Стройиздат, 1979, с. 86), отсюда следует, что чем меньше потери энергии при входе потока в решетку, тем выше тяга (подъемная сила) Т данного движителя, при заданных значениях секундного массового расхода m, потребляемой мощности N и постоянном радиусе кривизны R внутренней поверхности корпуса 2.Consequently, the specific thrust q will increase. This follows from the fact that, according to the law of conservation of momentum, the thrust of this device can be expressed by the equality

. However, the coefficient ζ substantially depends not only on the angle of rotation of the flow α, but also on the mitigation coefficient of the flow inlet η _in (V.N. Taliev, Aerodynamics of ventilation. M: Stroyizdat, 1979, p. 86), which implies that the smaller energy loss at the flow inlet into the grate, the higher the thrust (lifting force) T of this propulsion device, for given values of the second mass flow rate m, power consumption N and a constant radius of curvature R of the inner surface of the housing 2.

Оценочные расчеты показывают, что можно ожидать увеличение силы Т на 15-30%.Evaluation calculations show that we can expect an increase in T by 15-30%.

Устройство работает следующим образом. При вращении центробежного колеса 1 воздушный поток поступает в колесо сверху и снизу и по принципу центробежной машины под действием ее радиальных лопаток закручивается и выбрасывается с некоторой скоростью по боковой поверхности колеса, поджимаясь, огибает внутреннюю поверхность корпуса 2, проходит вдоль лопаток спрямляющего устройства 3 и выбрасывается в радиальном направлении из корпуса под углом к горизонтали α со скоростью υ.The device operates as follows. When the centrifugal wheel 1 rotates, the air flow enters the wheel from above and below and, according to the principle of the centrifugal machine, is twisted and thrown out at a certain speed along the side surface of the wheel under the action of its radial blades, tightening around the inner surface of the casing 2, passing along the vanes of the straightening device 3 and ejected in the radial direction from the housing at an angle to the horizontal α at a speed υ.

При этом, согласно закону сохранения импульса, появляется тяга (подъемная сила) движителя Т, реализуемая через создание избыточного давления на внутренней поверхности корпуса 2 и разрежения на внешней поверхности за счет всасывающего эффекта верхней половины колеса 1, как результат суммарного воздействия элементарных объемов воздуха, движущихся по криволинейным траекториям под действием центробежных сил. Возникающий реактивный момент вращения компенсируется спрямляющим устройством 3. Уменьшаются местные гидравлические потери за счет профилирования носка лопаток, следовательно, увеличивается тяга (подъемная сила), возрастает удельная тяга q.In this case, according to the law of conservation of momentum, there appears a thrust (lift) of the propulsion device T, realized through the creation of excess pressure on the inner surface of the housing 2 and rarefaction on the outer surface due to the suction effect of the upper half of the wheel 1, as a result of the total effect of elementary volumes of air moving along curved trajectories under the action of centrifugal forces. The resulting reactive torque is compensated by a straightening device 3. Local hydraulic losses are reduced due to the profiling of the nose of the blades, therefore, the thrust (lifting force) increases, the specific thrust q increases.

Экспериментально подтверждено, что максимальная величина подъемной силы Т достигается, при прочих постоянных параметрах, если будут выполнятся соотношения:

,

.It was experimentally confirmed that the maximum value of the lifting force T is achieved, with other constant parameters, if the following relations are satisfied:

,

.

Claims

A device for creating a lifting force, comprising a fixed body with vanes of a straightening device, made in the form of a convex-concave disk representing a surface of revolution of some curvature bounded by upper and lower circles of diameters D1 and D, respectively, with an acute angle α of the flow exit with respect to the horizontal horizontal surfaces of the outer edge of the housing and a centrifugal wheel, the shaft bearing assembly of which is attached to the housing using brackets, and the wheel is made with a two-way air inlet second medium, characterized in that the flow straightener vane means are arranged along the radius r rounded tip and profiled shape sock wing profile, which significantly reduces the local hydraulic losses and, therefore, increases the specific lift device.