RU2806471C1 - Combined rotating blade propulsion unit for underwater vehicles - Google Patents
Combined rotating blade propulsion unit for underwater vehicles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806471C1 RU2806471C1 RU2023117240A RU2023117240A RU2806471C1 RU 2806471 C1 RU2806471 C1 RU 2806471C1 RU 2023117240 A RU2023117240 A RU 2023117240A RU 2023117240 A RU2023117240 A RU 2023117240A RU 2806471 C1 RU2806471 C1 RU 2806471C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- rotation
- blades
- transverse
- vertical axis
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области судостроения, в частности к движителям с вертикальной осью и поперечным расположением относительно потока, с постоянной управляемой ориентацией лопастей.The invention relates to the field of shipbuilding, in particular to propulsors with a vertical axis and a transverse arrangement relative to the flow, with a constant controlled orientation of the blades.
Существующие движительные комплексы подводных аппаратов представляют собой многомоторные схемы. На необитаемых подводных аппаратах, как правило, не устанавливают рулевые поверхности для осуществления маневров, а управление производится тягой движителей. Движители, таким образом, выполняют тягово-маневровую работу. Этим обусловлено применение большого числа (от 6 шт. и более) гребных винтов, размещенных, определенным образом, в корпусе подводного аппарата, для обеспечения маневренности. Большое число движителей усложняет компоновку подводных аппаратов, усложняет размещение рабочего оборудования. Гребные винты устанавливаются, как правило, под некоторым углом (обычно 45°) к диаметральной плоскости подводного аппарата в целях использования тяги отдельного движителя при перемещениях во взаимно перпендикулярных направлениях. Это приводит, однако, к значительному снижению эффективности движительного комплекса, т.к. вектор тяги движителя не совпадает с курсом подводного аппарата. Кроме того, общая мощность движительного комплекса дробится по числу отдельных движителей, что не позволяет сконцентрировать в заданном направлении всю мощность аппарата. Движители устанавливаются на крайних точках габарита подводного аппарата, что приводит к их повышенной уязвимости от встречи с подводными препятствиями.Existing propulsion systems of underwater vehicles are multi-engine schemes. On uninhabited underwater vehicles, as a rule, control surfaces are not installed for maneuvers, and control is carried out by the thrust of the thrusters. The thrusters thus perform traction and maneuvering work. This determines the use of a large number (6 or more) of propellers placed in a certain way in the hull of the underwater vehicle to ensure maneuverability. A large number of propulsors complicates the layout of underwater vehicles and complicates the placement of working equipment. Propellers are installed, as a rule, at a certain angle (usually 45°) to the center plane of the underwater vehicle in order to use the thrust of a separate propulsion unit when moving in mutually perpendicular directions. This leads, however, to a significant decrease in the efficiency of the propulsion system, because the thrust vector of the propulsion device does not coincide with the course of the underwater vehicle. In addition, the total power of the propulsion system is divided according to the number of individual propulsors, which does not allow the entire power of the apparatus to be concentrated in a given direction. The thrusters are installed at the extreme points of the underwater vehicle's dimensions, which leads to their increased vulnerability to encountering underwater obstacles.
Целью изобретения является обеспечение высокой маневренности подводных аппаратов, т.е. возможности поступательного движения по всем трем осям, а также вращения вокруг всех трех осей, сочетая высокую удельную мощность в одном агрегате, защищенность от внешних воздействий и компактность.The purpose of the invention is to ensure high maneuverability of underwater vehicles, i.e. the possibility of translational movement along all three axes, as well as rotation around all three axes, combining high specific power in one unit, protection from external influences and compactness.
Известно большое количество вариантов реализации движителей с вертикальной ориентацией оси вращения (например, патенты DE 453823 C, DE 413896 C, ЕР 0795466, ЕР 1964774, RU 2179521).There are a large number of options for implementing propulsors with a vertical orientation of the axis of rotation (for example, patents DE 453823 C, DE 413896 C, EP 0795466, EP 1964774, RU 2179521).
Общими признаками всех подобных движителей являются: наличие вращающегося вокруг вертикальной оси основания (ротора), множество вертикально расположенных лопастей, расположенных по периферии основания и вращающихся вокруг вертикальной оси совместно с основанием. Каждая лопасть в процессе своего вращения совершает колебательные движения относительно своей нейтральной плоскости, совпадающей с касательной плоскостью к цилиндрической поверхности, образованной вращением осей поворота лопастей. Механизмы, инициирующие колебательные движения лопастей, реализованы либо в виде электромеханических устройств, действующих на каждую лопасть индивидуально, либо в виде рычажной системы, связывающей все лопасти между собой. В указанных механизмах не решен вопрос реализации оптимального закона колебания лопастей в зависимости от угла поворота основания, ввиду чего падает эффективность движителя, а также растут нагрузки в шарнирных сочленениях.The common features of all such propulsors are: the presence of a base (rotor) rotating around a vertical axis, a plurality of vertically located blades located along the periphery of the base and rotating around a vertical axis together with the base. Each blade, during its rotation, makes oscillatory movements relative to its neutral plane, which coincides with the tangent plane to the cylindrical surface formed by the rotation of the rotation axes of the blades. The mechanisms that initiate the oscillatory movements of the blades are implemented either in the form of electromechanical devices acting on each blade individually, or in the form of a lever system that connects all the blades to each other. In these mechanisms, the issue of implementing the optimal law of oscillation of the blades depending on the angle of rotation of the base has not been resolved, as a result of which the efficiency of the propeller decreases, and the loads in the articulated joints also increase.
Наиболее близким по своей технической сути устройством, принимаемым в качестве ближайшего аналога (прототипа), является конструкция судового крыльчатого движителя, предложенная авторами патента US 2291062 A. В этой конструкции множество лопастей, закрепленных вертикально по периметру основания, удерживаются и вращаются совместно с основанием так, что оси этих лопастей в процессе вращения основания вокруг вертикальной оси, описывают цилиндр. В этой конструкции поворот лопастей осуществляется в зависимости от угла поворота основания, посредством рычажного механизма, расположенного в центре устройства и связанного тягами с каждой лопастью. Рычажный механизм обеспечивает поворот лопастей так, что в каждый момент времени все перпендикуляры, проведенные к хордам лопастей, сходятся в одной точке - точке управления. Перемещение вышеуказанной точки управления вдоль диаметра вращающегося основания устанавливает мгновенный угол атаки каждой лопасти так, что на ее поверхности возникает гидродинамический упор в заданном направлении. Гидродинамический упор движителя и перемещение в потоке (направление потока) возникает в направлении, поперечном вертикальной оси движителя. В данном устройстве применен многозвенный рычажный механизм, осуществляющий поворот лопастей в процессе вращения основания по оптимальному закону колебания лопастей, обеспечивающий высокую гидродинамическую эффективность движителя. Недостатком конструкции является центральное расположение управляющего механизма, занимающее весь центральный объем движителя.The closest device in its technical essence, accepted as the closest analogue (prototype), is the design of a ship's wing propulsion unit, proposed by the authors of patent US 2291062 A. In this design, many blades, fixed vertically along the perimeter of the base, are held and rotated together with the base so that that the axes of these blades, in the process of rotation of the base around a vertical axis, describe a cylinder. In this design, the rotation of the blades is carried out depending on the angle of rotation of the base, through a lever mechanism located in the center of the device and connected by rods to each blade. The lever mechanism ensures rotation of the blades so that at each moment of time all perpendiculars drawn to the chords of the blades converge at one point - the control point. Moving the above control point along the diameter of the rotating base sets the instantaneous angle of attack of each blade so that a hydrodynamic thrust appears on its surface in a given direction. The hydrodynamic thrust of the propulsion and movement in the flow (flow direction) occurs in the direction transverse to the vertical axis of the propulsion. This device uses a multi-link lever mechanism that rotates the blades during the rotation of the base according to the optimal law of oscillation of the blades, ensuring high hydrodynamic efficiency of the propulsion unit. The disadvantage of the design is the central location of the control mechanism, which occupies the entire central volume of the propulsion unit.
Недостатком данного известного устройства является также то, что он, будучи смонтирован на подводном аппарате, обеспечивает движение только вдоль горизонтальной плоскости. Перемещение вдоль вертикальной оси, а также вращение вокруг всех трех осей (по дифференту, по крену и по курсу) такой движитель не обеспечивает.Another disadvantage of this known device is that, being mounted on an underwater vehicle, it provides movement only along a horizontal plane. Such a propulsion device does not provide movement along the vertical axis, as well as rotation around all three axes (along trim, roll and heading).
Существенным общим признаком ближайшего аналога, с точки зрения заявляемого изобретения, является наличие множества лопастей аэродинамического профиля, вращающихся вокруг вертикальной оси, поперечно потоку, и удерживаемых ротором для крепления лопастей.An essential common feature of the closest analogue, from the point of view of the claimed invention, is the presence of a plurality of airfoil blades rotating around a vertical axis, transverse to the flow, and held by a rotor for attaching the blades.
Задачами предлагаемого заявителем устройства, решение которых не содержится в конструкции ближайшего аналога, являются:The objectives of the device proposed by the applicant, the solution of which is not contained in the design of the closest analogue, are:
- реализация перемещения подводного аппарата вдоль вертикальной оси;- implementation of movement of the underwater vehicle along the vertical axis;
- реализация вращения подводного аппарата вокруг трех осей.- implementation of rotation of the underwater vehicle around three axes.
Для решения поставленных задач заявителем предлагается комбинированный крыльчатый движитель подводных аппаратов.To solve the problems, the applicant proposes a combined wing propulsion unit for underwater vehicles.
Существенными признаками, отличающими заявляемое устройство от прототипа, являются:The essential features that distinguish the claimed device from the prototype are:
- устройство собрано на общем шасси из двух одинаковых крыльчатых движителей соосно один другому и развернутых опорными поверхностями оснований друг к другу;- the device is assembled on a common chassis from two identical winged propulsors coaxially with one another and the supporting surfaces of the bases facing each other;
- дополнительно в центре крыльчатых движителей введены гребные винты изменяемого шага;- additionally, variable-pitch propellers were introduced in the center of the winged propulsors;
- поворот лопастей осуществляется не тягами центрального рычажного механизма, а посредством внешнего кольца управления, представляющего собой две концентрические цилиндрические поверхности, между которыми свободно движется ролик, установленный, в свою очередь, на рычаге, жестко закрепленном на оси поворота лопасти.- the rotation of the blades is carried out not by the rods of the central lever mechanism, but by means of an external control ring, which consists of two concentric cylindrical surfaces, between which a roller moves freely, mounted, in turn, on a lever rigidly fixed to the axis of rotation of the blade.
Таким образом, устройство представляет собой спаренную движительную установку, состоящую из двух крыльчатых движителей, оснащенных гребными винтами изменяемого шага, размещенных соосно на общем шасси.Thus, the device is a paired propulsion system consisting of two winged propulsors equipped with variable-pitch propellers placed coaxially on a common chassis.
Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение динамических и маневренных возможностей подводных аппаратов за счет элемента, создающего тягу вдоль вертикальной оси, реализации вращения вокруг всех трех осей путем применения спаренной установки, а также концентрации в едином устройстве полной мощности энергетической установки.The technical result of the proposed device is the expansion of the dynamic and maneuverable capabilities of underwater vehicles due to the element that creates thrust along the vertical axis, the implementation of rotation around all three axes by using a paired installation, as well as the concentration of the full power of the power plant in a single device.
На фиг. 1 показан общий вид движителя.In fig. 1 shows a general view of the propulsion device.
На фиг. 2 показан отдельно крыльчатый движитель.In fig. 2 shows a separate wing propulsion unit.
Комбинированный крыльчатый движитель (фиг. 1) представляет собой спаренную установку из двух одинаковых крыльчатых движителей: верхнего 1 и нижнего 2, собранных соосно и симметрично относительно плоскости, перпендикулярной их оси вращения, на едином шасси 3. Конструкция каждого крыльчатого движителя состоит из ротора 4, на котором смонтированы поворотные лопасти 5. Ротор 4 своей ступицей 6 посажен на валу приводного двигателя 7, расположенного в обтекателе 8. Ступица 6 механически связана с ободом ротора 4 посредством радиальных спиц 9. Ступица 6 ротора 4 одновременно является ступицей гребного винта 10, лопасти 11 которого имеют возможность поворачиваться на спицах 9. На лопастях 5, представляющих собой крыло аэродинамического профиля, выполнены поворотные оси, на которых закреплены элементы управления - рычаги с роликом 12. Кольцо управления 13 представляет кольцо с концентрическими цилиндрическими поверхностями (желобом) по ведущим пояскам которых свободно катится ролик 12. Кольцо управления 13 не вращается, но может перемещаться, посредством сервоприводов поперечного 14 и продольного 15 смещения, на плоскости, поперечной оси вращения, в любом направлении относительно центра вращающегося ротора 4, в пределах конструктивно заданного эксцентриситета. Вращение ротора нижнего крыльчатого движителя осуществляется через дифференциальный редуктор 16, который представляет собой дифференциальный механизм суммирующего типа, обеспечивающий разнонаправленное вращение верхнего 1 и нижнего 2 крыльчатых движителей. Сервопривод 17 дифференциального редуктора 16 регулирует разность частот вращения верхнего и нижнего крыльчатого движителя.The combined winged propulsion unit (Fig. 1) is a paired installation of two identical winged propulsion units: upper 1 and lower 2, assembled coaxially and symmetrically relative to the plane perpendicular to their axis of rotation, on a single chassis 3. The design of each winged propulsion unit consists of a rotor 4, on which the rotating blades 5 are mounted. The rotor 4 with its hub 6 is mounted on the shaft of the drive motor 7 located in the fairing 8. The hub 6 is mechanically connected to the rim of the rotor 4 by means of radial spokes 9. The hub 6 of the rotor 4 is at the same time the hub of the propeller 10, the blade 11 which have the ability to rotate on spokes 9. On the blades 5, which are an airfoil wing, there are rotary axes on which control elements are fixed - levers with a roller 12. The control ring 13 is a ring with concentric cylindrical surfaces (grooves) along the driving belts of which are free roller 12 rolls. The control ring 13 does not rotate, but can move, by means of transverse 14 and longitudinal 15 displacement servos, on a plane transverse to the axis of rotation, in any direction relative to the center of the rotating rotor 4, within the limits of a structurally specified eccentricity. The rotation of the rotor of the lower winged propeller is carried out through a differential gearbox 16, which is a differential mechanism of the summing type, providing multidirectional rotation of the upper 1 and lower 2 winged propellers. The servo drive 17 of the differential gearbox 16 regulates the difference in rotational speeds of the upper and lower propeller blades.
На фиг. 3 показан принцип управления тягой движителя. Комбинированный крыльчатый движитель работает следующим образом.In fig. Figure 3 shows the principle of propulsion thrust control. The combined vane propulsion system works as follows.
Двигатель привода 7 через дифференциальный редуктор 16 вращает ротор 4 верхнего крыльчатого движителя 1 в одну сторону (по часовой стрелке на фиг. 1), а ротор нижнего крыльчатого движителя 2 в другую сторону (против часовой стрелки на фиг. 1) Вращающийся ротор увлекает за собой установленные на нем лопасти 5. Лопасти 5, следуя закрепленными на них роликами 12 по ведущим пояскам неподвижного кольца управления 13, поворачиваются на определенный угол атаки относительно своего нейтрального положения. При совмещении центра управляющего кольца 13 с осью вращения ротора 4, все лопасти крыльчатого движителя выставлены в нейтральную позицию так, что продольная плоскость каждой лопасти, совпадает с касательной плоскостью к цилиндрической поверхности, образованной вращающимися осями лопастей. При этом угол атаки лопасти равен нулю и гидродинамический упор на поверхностях лопастей не возникает.The drive motor 7, through a differential gearbox 16, rotates the rotor 4 of the upper wing propeller 1 in one direction (clockwise in Fig. 1), and the rotor of the lower wing propeller 2 in the other direction (counterclockwise in Fig. 1). The rotating rotor carries along with it blades 5 mounted on it. Blades 5, following the rollers 12 fixed on them along the driving belts of the fixed control ring 13, rotate to a certain angle of attack relative to their neutral position. When the center of the control ring 13 is aligned with the axis of rotation of the rotor 4, all the blades of the wing propulsion are set to a neutral position so that the longitudinal plane of each blade coincides with the tangent plane to the cylindrical surface formed by the rotating axes of the blades. In this case, the angle of attack of the blade is zero and hydrodynamic thrust does not occur on the surfaces of the blades.
При смещении кольца управления 13 относительно центра вращающегося ротора, посредством сервоприводов 14 и (или) 15, лопасти 5, ведомые роликами 12 по пояскам кольца управления, поворачиваются на некоторый угол атаки так, что их движение, совместно с вращающимся ротором, в водной среде, приводит к возникновению на их поверхностях гидродинамической силы. Зависимость угла порота каждой лопасти от угла поворота ротора такова, что в любой момент времени лопасть создает гидродинамический упор в заданном направлении. Сумма упора всех лопастей обеспечивает возникновение общей силы тяги, приложенной к оси вращения движителя.When the control ring 13 is displaced relative to the center of the rotating rotor, by means of servos 14 and (or) 15, the blades 5, driven by rollers 12 along the control ring belts, rotate to a certain angle of attack so that their movement, together with the rotating rotor, in the aquatic environment, leads to the appearance of hydrodynamic force on their surfaces. The dependence of the rotation angle of each blade on the rotation angle of the rotor is such that at any time the blade creates a hydrodynamic thrust in a given direction. The sum of the thrust of all the blades ensures the occurrence of a total traction force applied to the axis of rotation of the propulsion unit.
Лопасти 11 центральных гребных винтов имеют возможность синхронно поворачиваться относительно своих осей на некоторый угол, т.н. угол атаки. При этом их поворот на определенный угол атаки приводит к возникновению гидродинамического упора в вертикальном направлении. Что обеспечивает как всплытие при положительных углах атаки, так и погружение при отрицательных углах атаки.The blades of the 11 central propellers have the ability to synchronously rotate relative to their axes at a certain angle, the so-called. attack angle. In this case, their rotation at a certain angle of attack leads to the appearance of a hydrodynamic thrust in the vertical direction. This ensures both ascent at positive angles of attack and descent at negative angles of attack.
Кольца управления 13 верхнего 1 и нижнего 2 крыльчатого движителя могут перемещаться независимо друг от друга, поэтому сила тяги верхнего и нижнего крыльчатого движителя могут различаться как по величине, так и по направлению. Так, при одинаковом смещении обоих колец 13, возникнет равная по величине и направлению сила тяги, сложенная из значений тяги верхнего и нижнего крыльчатого движителя, что приведет к перемещению аппарата в заданном направлении.The control rings 13 of the upper 1 and lower 2 wing propellers can move independently of each other, so the thrust force of the upper and lower wing propellers can differ both in magnitude and direction. Thus, with the same displacement of both rings 13, a thrust force of equal magnitude and direction will arise, composed of the thrust values of the upper and lower wing propulsion, which will lead to movement of the apparatus in a given direction.
При смещении управляющих колец 13 верхнего и нижнего движителя в разных направлениях, на верхнем и нижнем крыльчатом движителе возникает разный по величине и направлению упор, что приводит к возникновению пары сил, и, соответственно, к вращению аппарата в заданной вертикальной плоскости. При появлении пары сил на поперечной плоскости возникнет вращение аппарата вдоль продольной оси, т.е. по крену (фиг. 4). А при появлении пары сил в продольной плоскости, возникнет вращение аппарата вдоль поперечной оси, т.е. по дифференту (фиг. 5).When the control rings 13 of the upper and lower propellers are displaced in different directions, a stop of different size and direction appears on the upper and lower wing propellers, which leads to the emergence of a pair of forces, and, accordingly, to rotation of the apparatus in a given vertical plane. When a pair of forces appears on the transverse plane, the apparatus will rotate along the longitudinal axis, i.e. by roll (Fig. 4). And when a pair of forces appears in the longitudinal plane, the apparatus will rotate along the transverse axis, i.e. according to trim (Fig. 5).
Разнонаправленное вращение верхней и нижней частей движителя обеспечивает взаимную компенсацию реактивных моментов, возникающих от создающих тягу крыльчатых движителей. Благодаря этому аппарат устойчив на заданном курсе.Multidirectional rotation of the upper and lower parts of the propulsor ensures mutual compensation of the reactive moments arising from the thrust-creating winged propulsors. Thanks to this, the device is stable on a given course.
При разности частот вращения нижнего и верхнего движителя, их реактивный момент будет иметь разную величину, причем эта величина может быть, как положительной, так и отрицательной. Разность реактивных моментов верхней и нижней частей вызывает результирующий реактивный момент, который приводит к вращению аппарата вокруг вертикальной оси, т.е. осуществляется управление по курсу.When the rotation speeds of the lower and upper movers differ, their reactive torque will have different values, and this value can be either positive or negative. The difference in the reactive moments of the upper and lower parts causes a resulting reactive moment, which leads to rotation of the apparatus around a vertical axis, i.e. course control is carried out.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2806471C1 true RU2806471C1 (en) | 2023-11-01 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2291062A (en) * | 1939-02-06 | 1942-07-28 | Voith Schneider Propeller Comp | Blade wheel propeller, particularly for watercraft |
| RU2142894C1 (en) * | 1996-07-30 | 1999-12-20 | Кобелев Валерий Андреевич | Device for active control of ship |
| RU2179521C2 (en) * | 1996-09-17 | 2002-02-20 | С.П.Н. С.Р.Л. | Marine propulsor with vertical axis located transversely relative to direction of flow at constant controllable orientation of blades |
| CN102644564A (en) * | 2011-02-22 | 2012-08-22 | 林玉斌 | Fluid energy converter |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2291062A (en) * | 1939-02-06 | 1942-07-28 | Voith Schneider Propeller Comp | Blade wheel propeller, particularly for watercraft |
| RU2142894C1 (en) * | 1996-07-30 | 1999-12-20 | Кобелев Валерий Андреевич | Device for active control of ship |
| RU2179521C2 (en) * | 1996-09-17 | 2002-02-20 | С.П.Н. С.Р.Л. | Marine propulsor with vertical axis located transversely relative to direction of flow at constant controllable orientation of blades |
| CN102644564A (en) * | 2011-02-22 | 2012-08-22 | 林玉斌 | Fluid energy converter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2307671B1 (en) | Cycloidal rotor with non-circular blade orbit | |
| US4247251A (en) | Cycloidal fluid flow engine | |
| US4648345A (en) | Propeller system with electronically controlled cyclic and collective blade pitch | |
| US4398895A (en) | Wind propulsion devices | |
| US4253799A (en) | Side propellers for the propulsion of fast boats and aircraft | |
| FI96757B (en) | Rudder and propeller system | |
| US7374130B2 (en) | Method and apparatus for vehicle control using variable blade pitch | |
| US2584115A (en) | Torque equalizer for counterrotating propellers | |
| CN108860598A (en) | Tilting rotor formula three is dwelt aircraft | |
| US2580428A (en) | Cycloidal rotor for aircraft | |
| US3291086A (en) | Tandem propeller propulsion and control system | |
| US3801047A (en) | Omnidirectional aircraft | |
| RU2806471C1 (en) | Combined rotating blade propulsion unit for underwater vehicles | |
| US3125981A (en) | Hydrorotor craft | |
| WO1987000140A1 (en) | Adjustable folding propeller | |
| US3917195A (en) | Vertical/short take-off and landing aircraft | |
| JP3171394B2 (en) | Pump jet thruster with thrust control device | |
| CA2509401A1 (en) | Arrangement in a propulsion system | |
| CN114834635A (en) | Water-air amphibious propelling device | |
| CN114162298B (en) | X-type pneumatic layout cross-medium aircraft based on cycloid thruster | |
| CN110712738A (en) | Civil light aircraft | |
| FI80243B (en) | STYRANORDNING FOER FARTYG. | |
| RU2827383C1 (en) | Underwater propulsion system | |
| US11383831B1 (en) | Methods of vertical take-off/landing and horizontal straight flight of aircraft and aircraft for implementation | |
| RU2781315C1 (en) | Thrust control method for vertical takeoff and landing unmanned aerial vehicle with cyclic propellers |