CN103895859B - 一种通过空转获取空气升力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的技术领域为直升机领域，尤其是用于直升机的升力系统。本发明产生的上升力既不是通过压迫空气获取反作用力，也不是通过改变机翼上下气流速度，获取压强差，而是通过改变旋转件上下空气密度来获取压强差。因此，本发明产生上升力的代价主要是克服空气摩擦力，所需功率较小。本发明为人们设计无主桨、无尾桨、外形扁平、气流推进的高效新型直升机提供了参考。本装置主要由旋转件、挡风件以及抽风设备组成。

Description

一种通过空转获取空气升力的装置

一、技术领域

本发明涉及的技术领域为直升机领域，尤其是用于直升机的升力系统。

二、背景技术

现有直升机的上升力是依靠高速旋转的螺旋桨向下压迫空气而获取反作用力。如何获得较大的上升力，人们根据空气动力学原理，在旋翼的外部形状方面进行了大量的理论探讨和实践尝试。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种获取上升力的更高效方法，它通过以下技术方案实现：一种通过空转获取空气升力的装置，其特征在于：主要由旋转件和挡风件以及抽风设备组成；旋转件具有旋转体外形并在中心位置与旋转轴固联；挡风件位于旋转件下方并与之保持一定的间隙但不随旋转轴转动(与直升机机身固连)；在以旋转轴为中心的圆形位置上，二者间隙较小，内部形成空腔；空腔与抽风设备的进风口连通。

根据上述技术方案，当抽风设备工作时，外部气体由进风口(旋转件和挡风件在圆形位置的较小间隙)进入空腔，最后经通风设备的出风口高速排出。由于进风口较小，空腔内的气压会低于外面的气压，密度也会相应下降。于是，旋转件与挡风件均承受来自外部的空气压力，二者大小相等，方向相反，合力为零。但是，当旋转件高速转动时，其上下表面的压力降低，并且上表面的压力降低得更多(外部空气密度较大)。这样，旋转件承受的压力减少，而此时挡风件承受的压力未变，于是原有的力量平衡被打破，装置便获得了向上的升力。

现结合附图对这一技术方案进行详细介绍：

图1是一个实施例的立体图，图2是该实施例的A-A剖面图。图1和图2示出：旋转件(1a)具有旋转体外形并在中心位置与旋转轴(4)固联；挡风件(2a)位于旋转件(1a)下方并与之保持一定的间隙但不随旋转轴(4)转动；在以旋转轴(4)为中心的1个圆形位置(5)上，二者间隙较小，内部形成空腔(6a)；空腔(6a)与抽风设备(3)的进风口连通；旋转件(1a)与挡风件(2a)在圆形位置(5)上形成的间隙为空腔(6a)的进风口。

由于空腔(6a)的进风口较小，当抽风设备(3)高速工作时，空腔(6a)内的气压会低于外面的气压，密度也会同比下降。设外部气压为p，密度为ρ。空腔(6a)内的气压和密度分别为kp和kρ。其中0＜k＜1。当旋转件(1a)高速旋转时，其上表面承受的空气压强会降低。根据伯努利方程，该压强为其中v为线速度。同理，旋转件(1a)下表面承受的压强为挡风件(2a)上表面压强为P₃＝kp，下表面压强为P₄＝p。因此向上的总压强为：

$P=P_2+P_4-P_1-P_3$

$=\mathrm{kp}-\frac{1}{2}\left(\mathrm{k\ρ}\right)v^2+p-(p-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}^2)-\mathrm{kp}$

$=\frac{1}{2}(1-k){\mathrm{\ρv}}^2.$

令1-k＝a，它表示空腔(6a)与外部的相对压力差。例如，a＝0.03表示空腔(6a)内的压强比外部压强低3％。于是，上式简化为：这足以说明装置的升力原理。

装置总升力：

设旋转件(1a)半径为R米，转速为n转/秒，则装置总升力：

$F=\∫\underset{D}{\∫}\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2\·\mathrm{adxdy}$ D：x²+y²≤R²

$=\frac{1}{2}\mathrm{a\ρ}\∫\underset{D}{\∫}{v}^2\mathrm{dxdy}$

$=\frac{1}{2}\mathrm{a\ρ}\∫\underset{D}{\∫}{\left(2\mathrm{\πrn}\right)}^2\mathrm{dxdy}$

$=2\mathrm{a\ρ}{\mathrm{\π}}^2{n}^2\∫\underset{D}{\∫}{r}^2\mathrm{dxdy}$

$=2\mathrm{a\ρ}{\mathrm{\π}}^2{n}^2\∫\underset{D}{\∫}{r}^3\mathrm{drd\θ}$ (dxdy＝rdrdθ)

$=2\mathrm{a\ρ}{\mathrm{\π}}^2{n}^2\·\frac{1}{4}{R}^4\·2\mathrm{\π}$

$=\mathrm{a\ρ}{\mathrm{\π}}^3{n}^2{R}^4$

即：F＝aρπ³n²R⁴

该式可改写成：

$F=\frac{1}{4}\mathrm{\ρ}{V}^2\·S\·a...\left(I\right)$

其中S为旋转件(1a)的垂直投影面积，V为旋转件(1a)的边缘速度。该式表明：上升力与旋转件(1a)的面积成正比，与边缘速度的平方成正比，与相对压强差成正比。

下面再通过具体数据进行说明。

例，如果旋转件(1a)半径R＝2m，间隙d＝0.01m，相对压力差a＝0.03，空气密度ρ＝1.29，边缘速度V＝300m/s，则总升力：

$F=\frac{1}{4}\×1.29\×{300}^2\×(3.14\×2^2)\×0.03=10936.62N=1115\mathrm{Kg}.$

其他相关指标：这些指标包括：旋转件(1a)消耗的功率、抽风设备(3)消耗的功率、总功率、升力比、抽风设备(3)排出的高速气流产生的反冲力以及该反冲力所能产生的最大力矩等。这些指标证明了本发明的优越性。

(一)旋转件(1a)上方气流的速度梯度

后面的计算会涉及到空气摩擦力(粘滞阻力)。计算空气粘滞阻力的关键是确定速度梯度。为方便计，此处借助圆形管道内流体的运动规律进行确定。设圆形管道的长度为L，半径为R₁，两端压强分别为Q₂和Q₁，其中Q₂＞Q₁，则管道内任一点流体的速度为：

$u=\frac{Q_2-Q_1}{4\mathrm{\ηL}}(R_1^2-r_1^2)$ 0≤r₁≤R₁

其中：u-该点处的流体速度；r₁-该点距中心的距离；η-粘滞系数；

上式表明：流体在中心处速度最大，远离中心处速度逐渐减少，管道内壁处速度最小。

当r₁＝0时， $u=\frac{Q_2-Q_1}{4\mathrm{\ηL}}{R}_1^2...\left(\mathrm{II}\right)$

即中心处速度最大；

当r₁＝R₁时，u＝0，即管道内壁处速度为0；

速度梯度为：

$\frac{\mathrm{du}}{{\mathrm{dr}}_1}=\frac{Q_2-Q_1}{4\mathrm{\ηL}}\·2r_1$ 0≤r₁≤R₁(只考虑绝对值)

管道内壁的速度梯度为：

$\frac{\mathrm{du}}{{\mathrm{dr}}_1}=\frac{Q_2-Q_1}{4\mathrm{\ηL}}\·2R_1...\left(\mathrm{III}\right)$

将(II)代入(III)，得：

$\frac{\mathrm{du}}{{\mathrm{dr}}_1}=\frac{2}{R_1}u$

上式表明：速度梯度与中心处的速度成正比。当水平圆盘旋转时，速度梯度的计算与此相似。圆盘的旋转带动上下气流旋转，紧贴圆盘的气流速度最大。随着垂直距离的增加，气流速度逐步减少。当气流速度降为零时，此时到圆盘表面的垂直距离为气流层厚度，相当于圆形管道的半径R₁。因此，圆盘上任一点气流的速度梯度为：

$\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dh}}=\frac{2}{H}v=\mathrm{cv}$ (令 $c=\frac{2}{H}$ )

其中：-该点的速度梯度；v-该点的线速度；H-气流层厚度。

上式表明：气流在圆盘表面任一点处速度梯度与该点的速度成正比，与气流厚度成反比。实验观察，H＞0.005m，因此

(二)旋转件(1a)消耗的功率

旋转件(1a)下表面的空气密度低于上表面的密度，因此下表面的空气摩擦力也小于上表面的空气摩擦力。为方便计，全部按上表面的密度计算。每秒钟空气摩擦力对旋转件(1a)做功为：

$E_1=2\∫\underset{D}{\∫}2\mathrm{\πrn}\·\mathrm{\ηcvdxdy}$ D：x²+y²≤R²

$=2\∫\underset{D}{\∫}2\mathrm{\πrn}\·\mathrm{\ηc}\·2\mathrm{\πrndxdy}$

$=8\mathrm{\η}{\mathrm{cn}}^2{\mathrm{\π}}^2\∫\underset{D}{\∫}{r}^2\mathrm{dxdy}$

$=8\mathrm{\η}{\mathrm{cn}}^2{\mathrm{\π}}^2\∫\underset{D}{\∫}{r}^3\mathrm{drd\θ}$ (dxdy＝rdrdθ)

$=8\mathrm{\η}{\mathrm{cn}}^2{\mathrm{\π}}^2\·\frac{1}{4}{R}^4\·2\mathrm{\π}$

$=4\mathrm{\η}{\mathrm{cn}}^2{\mathrm{\π}}^3{R}^4$

$=\mathrm{\ηc}{V}^{2}S$

即：E₁＝ηcV²S.....................(IV)

代入数据，得：

E₁＜1.8192×10^-5×400×300²×(3.14×2²)＝8.23×10³J

该数值也是旋转件(1a)克服空气摩擦力所需最低功率。设旋转件(1a)效率δ₁＝70％，则旋转件(1a)消耗功率：

$W_1=\frac{E_1}{{\mathrm{\δ}}_1}=\frac{8.23\×{10}^3}{70\%}=11.76\mathrm{KW}$

(三)空气阻力对旋转件(1a)产生的力矩为

旋转件(1a)下表面的空气密度低于上表面的密度，因此下表面的空气摩擦力也小于上表面的空气摩擦力。为方便计，全部按上表面的密度计算。空气摩擦力对旋转件(1a)产生的力矩为：

$M=2\∫\underset{D}{\∫}r\·\mathrm{\ηcvdxdy}$ D：x²+y²≤R²

$=2\∫\underset{D}{\∫}r\·\mathrm{\ηc}\·2\mathrm{\πrndxdy}$

$=4\mathrm{\η}\mathrm{cn}\mathrm{\π}\∫\underset{D}{\∫}{r}^2\mathrm{dxdy}$

$=4\mathrm{\η}\mathrm{cn}\mathrm{\π}\∫\underset{D}{\∫}{r}^3\mathrm{drd\θ}$ (dxdy＝rdrdθ)

$=4\mathrm{\η}\mathrm{cn}\mathrm{\π}\·\frac{1}{4}{R}^4\·2\mathrm{\π}$

$=2\mathrm{\ηcn}{\mathrm{\π}}^2{R}^4$

$=\mathrm{\ηcVSR}$

$\≤1.8192\×{10}^{-5}\×400\×300\×(3.14\×2^2)\×2=54.84N\·m$

(四)空腔(6a)进风口的气流速度

该空腔内部压强为(1-a)p，设v₂为该空腔进风口的气流速度，在该空腔的进风口应用佰努利方程有：

$(1-a)p=p-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}_2^2$

$v_2=\sqrt{\frac{2\mathrm{ap}}{\mathrm{\ρ}}}=\sqrt{\frac{2\×0.03\×1.01\×{10}^5}{1.29}}=68.54m/s$

(五)抽风设备(3)功率

空腔(6a)进风口面积为：

S₂＝π(R+d)²-πR²＝3.14×2.01²-3.14×2²＝0.1259m²

每秒钟进气量为：

m＝s₂v₂ρ＝0.1259×68.54×1.29＝11.13Kg

每秒钟气流获得动能为：

$E_2=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}_2^2=\frac{1}{2}\×11.13\×{68.54}^2=26.14\×{10}^{3}J$

该数值也是抽风设备(3)所需最低功率，设抽风设备(3)的效率δ₂＝60％(抽风设备效率一般在60％以上)，则抽风设备(3)消耗功率：

$W_2=\frac{E_2}{{\mathrm{\δ}}_2}=\frac{26.14}{60\%}=43.57\mathrm{KW}$

(六)高速气流拥有推力

抽风设备(3)出风口气流速度与空腔(6a)进风口气流速度一致。此时抽风设备(3)排出的高速气流拥有推力：

F₂＝mv₂＝11.13×68.54＝762.85N＝77.84Kg

该推力可作为直升机水平前进的推力。

(七)高速气流可产生的力矩

抽风设备(3)设置在旋转件(1a)边缘处的正下方，且气流方向与旋转件(1a)的边缘相切。此时可产生力矩：

M₂＝RF₂＝762.85×2＝1525.70N·m

该值比旋转件(1a)受到的力矩(54.84N·m)大得多。因此只要对抽风设备(3)的位置和方向进行恰当设置，则抽风设备(3)可完全取代直升机尾浆实现平衡功能，并同时提供水平前进的推力。

(八)总功率

形成升力、维持平衡、水平前进所需的总功率为：

W＝W₁+W₂≤11.76+43.57＝55.33KW

(九)升力比

升力比为升力与消耗的总功率的比值。本实施例中，升力比为：

$\mathrm{\λ}=\frac{F}{W}=\frac{1115}{55.33}=20.15$

即：每千瓦功率可产生20公斤的升力。而螺旋桨的升力比则要小很多。理论上，螺旋桨的升力比可达8，实际值都小于该数。

本发明的实质：本发明产生的上升力既不是通过压迫空气获取反作用力，也不是通过改变机翼上下气流速度，获取压强差，而是通过改变旋转件(1a)上下空气密度来获取压强差。

本发明的优势：由于本发明采用了特殊的升力原理，升力比大幅提升且继续提高的空间极大。在上例中，升力比为20，而螺旋桨的升力比则要小很多。理论上，螺旋桨的升力比可达8，实际值都小于该数。根据(I)式和(IV)式，在空腔(6a)内外压差不变的情况下，提高旋转件(1a)的转速，升力和摩擦力做功都将同比大幅提升，但摩擦力做功在总功率中占比较小，因而升力比将继续提高。

本发明对行业的影响：抽风设备(3)排出的高速气流可推动直升机水平前进并平衡机身。另外，挡风件(2a)可作为直升机机身的一部分。这样，直升机将向无主桨、无尾桨、外形扁平、气流推进、效率更高的方向发展。

四、附图说明

图1是一个实施例的立体图；

图2是图1中实施例的A-A剖面图；

图3是另一个实施例的A-A剖面图；

五、具体实施方式

下面结合附图进一步说明具体的实施方式。

图1是一个实施例的立体图，图2是该实施例的A-A剖面图。在该实施例中，旋转件(1a)具有旋转体外形并在中心位置与旋转轴(4)固联；挡风件(2a)位于旋转件(1a)下方并与之保持一定的间隙但不随旋转轴(4)转动；在以旋转轴(4)为中心的1个圆形位置(5)上，二者间隙较小，内部形成空腔(6a)；空腔(6a)与抽风设备(3)的进风口连通；旋转件(1a)与挡风件(2a)在圆形位置(5)上形成的间隙为空腔(6a)的进风口。

由于空腔(6a)的进风口较小，当抽风设备(3)高速工作时，空腔(6a)内的气压会低于外面的气压，密度也会同比下降。于是，旋转件(1a)与挡风件(2a)均承受来自外部的空气压力，二者大小相等，方向相反，合力为零。但是，当旋转件(1a)高速转动时，其上下表面的压力降低，并且上表面的压力降低得更多(外部空气密度较大)。这样，旋转件(1a)承受的压力减少，而此时挡风件(2a)承受的压力未变，于是原有的力量平衡被打破，装置便获得了向上的升力。

由于形成上升力的方法不是通过压迫空气获取反作用力，而是通过改变旋转件(1a)上下空气密度来获取压强差。因此，本实施例不但具有较高的升力比而且抽风设备(3)排出的高速气流可推动直升机水平前进并平衡机身。这样，直升机将向无主桨、无尾桨、外形扁平、气流推进、效率更高的方向发展。当然。该实施例也存在缺陷。由于空腔(6a)内外存在压差，因此旋转件(1a)承受着较大的压力。具体情况如下：

旋转件(1a)上下面的压强差为：

$\mathrm{\ΔP}=P_1-P_2=p-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}^2-(\mathrm{kp}-\frac{1}{2}\mathrm{k\ρ}{v}^2)=(1-k)p-\frac{1}{2}(1-k)\mathrm{\ρ}{v}^2$

$=\mathrm{ap}-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}^{2}a$

旋转件(1a)承受的压力为：

$F_1=\∫\underset{D}{\∫}(\mathrm{ap}-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}^{2}a)\mathrm{dxdy}$ D：x²+y²≤R²

$=\∫\underset{D}{\∫}\mathrm{apdxdy}-\∫\underset{D}{\∫}\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}^2\mathrm{adxdy}$

$=\mathrm{apS}-F$

$=0.03\×1.01\×{10}^5\×(3.14\×2^2)-10936.62=27120.18N$

$=2767.36\mathrm{Kg}$

可见，旋转件(1a)承受的压力比上升力大很多。这会增加旋转轴(4)下端的摩擦力，消耗较多的能量。

图3是另一个实施例的剖面图。在该实施例中，旋转部件(1b)具有旋转体外形并在中心位置与旋转轴(4)固联；挡风件(2b)位于旋转部件(1b)下方并与之保持一定的间隙但不随旋转轴(4)转动；在以旋转轴(4)为中心的2个圆形位置(5和7)上，二者间隙较小，内部形成空腔(6b)；空腔(6b)与抽风设备(3)的进风口连通；在小圆位置(7)以内，部件(1b)下方的空间(8)与外部连通。本实施例克服了图1中实施例的上述缺陷。说明如下：装置获得的上升压强为旋转件(1b)承受的压差为在旋转轴(4)附近，线速度v较小，因此较小，而较大，即：在旋转轴(4)附近，装置获得的上升力较小，但旋转件(1b)承受的压力却很大。因此，去掉这部分空间(8)损失的上升力较小，旋转件(1b)降低的压力却十分明显。本实施例正好达成这一目标。

Claims (2)

1.一种通过空转获取空气升力的装置，其特征在于：所述装置由旋转件和挡风件以及抽风设备组成；所述旋转件具有旋转体外形并在中心位置与旋转轴固连；所述挡风件位于所述旋转件下方并与之保持小的间隙但不随所述旋转轴转动；所述间隙位于所述旋转轴为中心的1个圆形位置上；所述旋转件和所述挡风件内部形成空腔；所述空腔与所述抽风设备的进风口连通；外部空气从所述间隙吸入，经过所述空腔，最后由所述抽风设备的出风口高速排出；由于所述间隙小，所述空腔内气压低于外部气压，密度也相应降低；所述旋转件高速旋转时，其上表面压力比下表面压力降低的更多，所述挡风件承受的压力不变，所述装置获得向上的升力；所述抽风设备排出的高速气流推动所述装置前进并平衡所述装置。

2.一种通过空转获取空气升力的装置，其特征在于：所述装置由旋转件和挡风件以及抽风设备组成；所述旋转件具有旋转体外形并在中心位置与旋转轴固连；所述挡风件位于所述旋转件下方并与之保持小的间隙但不随所述旋转轴转动；所述间隙为第一间隙和第二间隙；所述第一间隙和所述第二间隙分别位于所述旋转轴为中心的2个圆形位置上；所述2个圆形位置分别为第一圆形位置和第二圆形位置，所述第二圆形位置的圆形半径小于所述第一圆形位置的圆形半径；所述旋转件和所述挡风件内部形成空腔；所述旋转件下方并位于所述第二圆形位置内形成与外部连通的空间；所述空腔与所述抽风设备的进风口连通；外部空气从所述的第一间隙和第二间隙吸入，经过所述空腔，最后由所述抽风设备的出风口高速排出；由于所述第一间隙和第二间隙小，所述空腔内气压低于外部气压，密度也相应降低；所述旋转件高速旋转时，其上表面压力比下表面压力降低的更多，所述挡风件承受的压力不变，所述装置获得向上的升力；所述抽风设备排出的高速气流推动所述装置前进并平衡所述装置。