WO2019139559A1 - Циклоидальный ротор с эллиптической траекторией движения лопастей и способ управления воздушным судном с помощью циклоидального ротора - Google Patents

Циклоидальный ротор с эллиптической траекторией движения лопастей и способ управления воздушным судном с помощью циклоидального ротора Download PDF

Info

Publication number
WO2019139559A1
WO2019139559A1 PCT/UA2019/000006 UA2019000006W WO2019139559A1 WO 2019139559 A1 WO2019139559 A1 WO 2019139559A1 UA 2019000006 W UA2019000006 W UA 2019000006W WO 2019139559 A1 WO2019139559 A1 WO 2019139559A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
blade
rotation
axis
shaft
angle
Prior art date
Application number
PCT/UA2019/000006
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Александр Анатолиевич БАЛИЦКИЙ
Original Assignee
Александр Анатолиевич БАЛИЦКИЙ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Анатолиевич БАЛИЦКИЙ filed Critical Александр Анатолиевич БАЛИЦКИЙ
Publication of WO2019139559A1 publication Critical patent/WO2019139559A1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C11/00—Propellers, e.g. of ducted type; Features common to propellers and rotors for rotorcraft
    • B64C11/46—Arrangements of, or constructional features peculiar to, multiple propellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C27/00—Rotorcraft; Rotors peculiar thereto
    • B64C27/32—Rotors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C29/00—Aircraft capable of landing or taking-off vertically, e.g. vertical take-off and landing [VTOL] aircraft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D7/00—Rotors with blades adjustable in operation; Control thereof
    • F01D7/02—Rotors with blades adjustable in operation; Control thereof having adjustment responsive to speed

Definitions

  • the invention relates to aircraft, in particular to the aircraft industry, namely, to a cycloidal rotor, which can be used to create lift and control the aircraft, allows you to approach vertical objects at a minimum distance and even collide with them without risk of touching vertical planes with rotary screws to save people in the mountains or high-rise buildings, as well as in conditions of poor visibility.
  • the classical design of the cycloidal rotor has a significant drawback - low efficiency due to the fact that the lift vector arising during rotation has the necessary direction at only two points of the blade path, in other parts of the path the lift vector is angled to the desired direction, and along the magnitude of it in these sections of the trajectory decreases significantly, which significantly reduces the total resulting lifting force.
  • a cycloidal rotor on which there are installed support mechanisms for blades made with the possibility of movement not in circular orbits, but in elongated dynamically changing orbits with the help of a drive and control to change their position.
  • the design is equipped with a computer system and an actuator for quickly changing the angle of attack of the blade and a computer control system for activating the necessary mechanisms for changing the position and angle of attack of the blade depending on the angular orbital position and the action of the controls.
  • the elongated orbit provides a longer working period in each cycle and optimizes the angle of attack of the blade, allows you to achieve maximum lifting force on horizontal sections of the trajectory.
  • Most options are complemented by computer a system that controls the drive system, dynamically changing the blade path and angle of attack, can also have a computer system that controls the drives to dynamically change the spatial orientation of the blades, creating conditions for their oblique up / down movements, and forward / back turns, precisely controlling various aerodynamic effects to ensure optimal performance in various operating modes, to combat wind gusts.
  • the cycloidal rotor when using vertical take-off and landing of aircraft requires lower engine power in order to improve the performance of vertical take-off and landing of rotorcraft [US 2009/0226314 Al, F01D 7/00, 2009].
  • the speed of the blade does not change over the full cycle of the trajectory (approximately the same as in the conveyor belt), but in the areas of changing the direction of movement, the speed must be reduced as much as possible to reduce runout and vibration;
  • the basis of the invention is the task of creating an effective cycloidal rotor with an elliptical trajectory of movement of the blades.
  • the second task which is the basis of the invention, is the creation of a method for controlling an aircraft using a cycloidal rotor, which would increase the efficiency of the cycloidal rotor by changing the circular path of the blade to elliptical.
  • consoles 2 or 6, optimally 6.
  • the length of the console does not exceed the radius of the disk on which the axes of rotation of the consoles are placed to prevent collisions during rotation, and the length of the console is as close as possible to the radius of the disk to increase the elongation of the elliptical trajectory.
  • the electric drive system includes a disk drive with a shaft, consoles drive gears, a chain or bevel gear for connecting gears, a modulator that modulates the angle of attack of the blade with the shaft rotation axis and the gear of the shaft, a chain or bevel gear connecting the gear of the modulator shaft and gear wheel drive shaft of the blade, the output shaft of the gear wheel drive consoles to change the inclination of the elliptical trajectory.
  • the mechanical drive system includes chain gears for rotating the housing around a fixed shaft with the formation of a planetary gear consisting of chain gears mounted on shafts and interconnected by a chain, the number of teeth of chain gears is correlated as 2: 1 to describe an elliptical trajectory by the shaft.
  • the drive is connected to an elliptical trajectory forming mechanism connected to the blade chord content on a tangent to the trajectory and to a console rotation shaft connected to the blade rotation shaft connected to the rotary adder combined with the blade chord retention mechanism tangent to the trajectory and the angle control mechanism blade attacks connected to controls connected to a control system a servo drive connected to the mechanism for holding the chord of the blade on a tangent to the path, and the controls are connected to the tilt mechanism of the elliptical path connected to the shaft of rotation of the console.
  • the second set task is solved by the fact that in the method of controlling an aircraft using a cycloidal rotor, comprising changing the trajectory of the blade and the angle of attack with the help of a drive and control for changing the position of the blades, according to the invention, using a drive motor, torque is transmitted through the transmission to the drive shaft a disk rigidly connected to the disk case and during rotation of which a planetary mechanism is formed, consisting of a motionless gear wheel, a carrier - a disk case and a satellite gear and mounted on the movable axis — the console rotational shaft, using the console rotational shaft, torque is obtained through the gear of the console drive and using the chain gear, while the ratio of the number of gear teeth connected by the chain gear is 2: 1 at an axis rotation speed the console relative to the disk enclosure, twice the speed of rotation of the disk enclosure and opposite directions of rotation, drawing up a circular path of the axis of the console relative to the axis of rotation of the disk enclosure and oic trajectory blade axis relative to the rotation
  • the angle of rotation of the axis of the blade is controlled by a servo as a modulator, while at a zero angle of attack of the blade, a signal is received on the modulator that holds the chord of the blade along the path tangent to the path of the blade axis, and when the signal arrives, the angle of attack of the blade changes sums two signals, and the blade moves along the trajectory with a given angle of attack.
  • the servo drive consists of a mechanism for holding the chord of the blade on a tangent to the trajectory, a mechanism for controlling the angle of attack of the blade and the adder of rotating moments.
  • the angle of rotation of the axis of the blade is applied by the mechanism of holding the chord of the blade along the tangent to the trajectory at the point of location of the axis of the blade, the mechanism of formation of the angle of attack of the blade and the adder of rotating moments.
  • another planetary mechanism is formed, consisting of a motionless gear wheel, mounted on the shaft of the actuator, the carrier formed by the casing of the console and the satellite gear located on the axis of the blade, while the gears are interconnected by a chain gear, and the ratio of the number of teeth of this gear is 1: 1.
  • a change in the angle of inclination of the elliptical trajectory of the blade is carried out by turning the central gear wheel using the output shaft, which through the drive system interfaced with controls to change the phase shift of consoles rotating cyclically, and change by the same angle as the angle of the central gear ECU, the inclination of the elliptical path of the blades, and the change of the angle of attack of the blades is carried out by rotating the shaft of the actuator, transmitting the torque received from the actuator using the gear wheel of the modulator of the angle of attack through a chain transmission to the gear wheel of the blade shaft drive to create a difference in directions between the velocity vector of the blade and the chord of the blade, getting a change in the angle of attack of the blade.
  • This design of a cycloidal rotor with elliptical orbits of the blades can be used in an aircraft that allows you to approach vertical objects at a minimum distance and even collide with them without danger of touching the vertical planes with the blades, since in this design the cycloidal rotor itself is closed around the perimeter and has only top and bottom open spaces to create an air stream.
  • An aircraft built on the basis of this design is suitable for saving people in the mountains or high-rise buildings, in conditions of poor visibility. On the basis of this design, you can build a car that can take off without take-off and without danger to touch others with moving blades.
  • the design can be used to create hovercraft. It is advisable to equip aircraft using this design with a spatial stabilization system, since the center of gravity in such devices is structurally located at a close distance from the point of application of the lifting force.
  • the consoles are placed on the disk in pairs, diametrically opposite to compensate for the imbalance that occurs during rotation. To prevent collision during rotation, the length of the console does not exceed the radius of the disk on which the rotation axes of the consoles are located.
  • the length of the console is as close as possible to the radius of the disk.
  • the optimal number of consoles is six.
  • Figure 1 - Figure 3 shows a cycloidal rotor with three positions of the disk, with a rotation step of 20 degrees;
  • figure 4 shows a spatial image of a cycloidal rotor
  • figure 5 shows a block diagram of the control of the elliptical trajectory of the blades:
  • figure 6 shows a graph of the linear velocity of the blade along the major axis of the ellipse and along the minor axis of the ellipse from the angle of rotation of the disk;
  • Fig.7 - Fig.8 shows the electric drive system of the cycloidal rotor
  • figure 9 is a mechanical system of drives of a cycloidal rotor
  • figure 10 shows a graph of the signal formation for the actuator, which sets the angle of attack of the blade
  • Fig.13 - Fig.14 - the process of tilting an elliptical trajectory.
  • Figure 1 shows a cycloidal rotor containing a disk 1, configured to rotate about its axis 2 with a speed of n revolutions, an even number of consoles 3 placed on the disk diametrically opposite to compensate for the imbalance that occurs during rotation and made to rotate in the opposite direction relative to the direction of rotation of the disk with a speed of 2p.
  • One end of the console is its axis of rotation 4, at the opposite end of the console 3 is fixed a blade 5 having its axis of rotation 6.
  • the axis 4 of rotation of the consoles 3 are placed evenly in a circle.
  • the axis 6 of the blades 5 describe an elliptical trajectory 7.
  • the distance H between the axes 4 and 6 is not may exceed the distance R between the axes 4 and 2 to prevent collisions of the consoles during rotation and at the same time, the distance H should be as close as possible to the distance R to increase the elongation of the elliptical trajectory.
  • the number of consoles 3 can be 2, 4 or 6, but to minimize ripples of the total lifting force that occurs during the movement of the blades 5, the optimal number of consoles 6.
  • the cycloidal rotor contains a disk drive with a shaft 8, gears 9 and 10 of the console drive, a chain 11 or a bevel gear for connecting gears 9, 10, a modulator 12 (actuator modulating the angle of attack of the blade 5) of the rotation of the shaft 13 with the gear 14 of the shaft modulator, chain 15 or bevel gear connecting the gear wheel 14 of the modulator shaft and gear 16 of the shaft 17 of the drive blade 5 (Fig.6, Fig.7), the output shaft 18 of the gear wheel 9 of the consoles to change the inclination of the elliptical trajectory. 7 shows the path 19 of the axis of rotation 4 of the console 3 and the path 7 of the axis of rotation 6 of the blade 5.
  • the satellite gear 10 is mounted on the shaft 20.
  • Figure 5 shows a block diagram of the control of the elliptical trajectory of the blades, containing a drive 21 connected to a mechanism 22 for forming an elliptical trajectory connected to the mechanism 23 of holding the chord of the blade on a tangent to the path and with the shaft 24 of rotation of the console connected to the shaft 25 of rotation of the blade, connected to a rotary adder 26, connected to a blade chord retention mechanism 23 tangential to the path, and a blade angle control mechanism 27 connected to control bodies 28 connected to Istemi servo control 29 connected to retaining mechanism 23 of the blade chord at a tangent to the path, and controls 28 are connected to the tilting mechanism 30, an elliptical path, connected to the shaft 24 rotation console.
  • Figure 9 shows the mechanical drive system of the cycloidal rotor, comprising a housing 31, a console 32, a blade 33, a fixed shaft 34, an axis 35 of a shaft 34, chain gears 36, 37, a chain 38, a common shaft 39, a chain gear 40, a chain 41, chain gear 42, shaft 43, axis 44 of the shaft 43, shaft 45, axis 46 of the shaft 45, pusher 47, inclined guide 48, chain gear 49, pusher 50, control bearing 51, chain gear 52, connection 53, pusher 54, console 55 , gear 56, output shaft 57, chain 58, driven gear 59, gear 60, drive 61 gear, gears 62, 63, drive shaft 64 pl
  • Aner mechanism housing 65 of the glider mechanism, bevel gear 66, satellites 67, rigid coupling 68, shaft 69, driven gear console 70.
  • a method of controlling a cycloidal rotor is as follows.
  • a torque is transmitted through a transmission (not shown) to the drive shaft 8 of the disk (Fig. 8), which is rigidly connected to the housing of the disk 1 and upon rotation of which a planetary mechanism is formed, consisting of a stationary gear wheel 9, the carrier - the disk case 1 and a satellite gear 10, mounted on the shaft 20 of the console 3.
  • a planetary mechanism consisting of a stationary gear wheel 9, the carrier - the disk case 1 and a satellite gear 10, mounted on the shaft 20 of the console 3.
  • the ratio of the teeth of the gears 9 and 10 connected by a chain 11 is 2: 1 .
  • the rotation speed of the shaft 20 of the console 3 relative to the disk casing 1 is two times higher than the rotation speed of the disk 1 casing relative to the axis of rotation 2, and their rotation directions are opposite.
  • the gears 14 and 16 are interconnected by a chain 15. The ratio of the teeth of this gear is 1: 1.
  • Changing the angle of attack of the blade 5 is carried out by rotating the shaft 13 of the modulator 12.
  • torque is transmitted from the gear 14 on the shaft 13 of the modulator 12 to the gear 16 on the drive shaft 17 blades 5, which creates a difference in directions between the velocity vector of the blade and the chord of the blade, that is, a change in the angle of attack of the blade.
  • Figure 1 - Figure 3 shows three positions of the disk 1 in increments of 20 degrees.
  • the blades 5 mounted on the ends of the console 3 have a linear speed depending on the distance R between the axis 2 of rotation of the disk 1 and the axis 4 of rotation of the console 3, on the distance H between the axis 4 of rotation of the console 3 and the axis 6 of rotation of the blade 5 and the speed of rotation of the disk 1
  • the total linear speed of the blade 5 along the trajectory can be decomposed into two components: the first is the speed along the major axis of the elliptical trajectory (horizontal speed of the blade), the second - along the minor axis (vertical speed of the blade).
  • Vgor 2 n (R + H) sin (a)
  • Vver 2 n (R-H) cos (a)
  • n is the rpm of the disk per second
  • R is the distance between the axis 2 of rotation of the disk 1 and the axis 4 of rotation of the console 3,
  • H is the distance between the axis of rotation 4 of the console 3 and the axis 6 of rotation of the blade 5.
  • the value of the angle of attack of the blade 5 over the entire portion of the trajectory is selected from the conditions:
  • Fig.7 and Fig.8 shows the kinematics of the drive to change the angle of attack.
  • the shaft 4 of the actuator 12 during the rotation makes one revolution together with the disk 1, that is, relative to the disk 1, the shaft 4 is stationary. But if the angle of rotation of the shaft 4 is changed according to a certain algorithm, then according to the same algorithm, angle of attack of the blade 5.
  • the angle of rotation of the shaft 4 can be changed mechanically (the mechanism resembles the skew mechanism used on helicopters), but since the algorithm for changing the angle of attack in this case is much more complicated than in a conventional helicopter, the angle of rotation of the axis changes the actuator a modulator 12 connected to a computer (not shown).
  • the formation of a signal arriving at the actuator of the modulator 12 and changing the angle of attack is similar to the formation of a signal in radio engineering, where harmonic sinusoidal signals of various frequencies, phases and amplitudes are used to create a specific pulse shape.
  • Figure 10 shows the resulting signal C supplied to the actuator of the modulator 12. From the graph it can be seen that this signal is formed as the sum of the first harmonic D, third harmonic E, fifth harmonic K and ninth harmonic G. The resulting signal is generated just to create the total lifting force with a minimum level of ripple.
  • the first harmonic of C coincides in frequency with the frequency of rotation of the disk 1, the phase is zero when the speed of the blade 5 along the major axis of the elliptical trajectory is zero, its amplitude is taken from the conditions of maximum lifting force for a specific profile of the blade 5 (i.e., the amplitude coefficient of the first harmonic D is 1 when the angle of attack of the blade 5 is maximum and its further increase no longer leads to an increase in lift).
  • the phase shift of the third harmonic E, the fifth harmonic K, and the ninth harmonic G relative to the first harmonic D is zero, the amplitude coefficients of these harmonics are taken relative to the amplitude coefficient of the first harmonic D, and they remain constant.
  • On Fig shows the graphs of the lifting force for each individual pair of opposing blades 5 (pos. Fl, F2, F3) and the total lifting force F for the case when the second harmonic is 0 (zero).
  • Pos. P1, F2 ; , F3 show the phase shift of the lifting force and the occurrence of a torque (pos. 8) for the total lifting force F ; v in case of adding the second harmonic angle of attack to the algorithm.
  • an elliptical trajectory tilt mechanism is used.
  • the total lifting force of all blades 5 will be directed not vertically upwards, but at an angle to the vertical, which entails the emergence of a horizontal force of a significant magnitude sufficient to move the aircraft at high speed.
  • the tilt mechanism of the elliptical trajectory is arranged as follows (Fig.13-Fig.14).
  • an immovable gear 9 connected via a chain or bevel gear (gear ratio equal to 2 m) with the rotation shaft of the console 20. If the gear 9 through the output shaft 18 is turned in any direction at an angle a, then the console will turn in the same direction at an angle of 2a. Since all consoles are connected to the central gear wheel, they will all be rotated at the same angle, which will lead to the inclination of the elliptical trajectory - accordingly, the inclination of the total lifting force will take place and, as a result, the horizontal component of the lifting force will appear.
  • the angle of inclination of the trajectory is not associated with the inclination of the rotation area of any rotating bodies, but only with a change in the phase of their rotation (in this case, the rotation phase of the consoles relative to the disk), the inclination of the trajectory will not create deviations caused by the gyroscopic effect.
  • the inclination of the trajectory does not require the application of a large force and can be carried out almost instantly, like a change in the direction of the traction force in a classical cycloid rotor.
  • the elliptical trajectory of the blade formed as a hypotrochoid closed curve, has the property of keeping the angular momentum of any small part of the described mechanism unchanged.
  • the constancy of the angular momentum excludes the occurrence of the angular momentum on the component parts of the mechanism when the blade moves away or approaches the center of the elliptical trajectory.
  • the drive 21 by means of a chain transmission (48, 49) and wireless technology 53 rotates the housing 31 around a fixed shaft 34.
  • a planetary gear is formed, consisting of a chain gear 36 mounted on the shaft 34, and a chain gear 37 mounted on the shaft 45.
  • the chain gears 36 and 37 are interconnected by a chain 38.
  • the shaft 45 is connected to the console 32. At the loose end of the console, the blade 33 rotates on the shaft 43.
  • the axis 44 of the shaft 43 during rotation of the shaft 45 around the shaft 34 and rotation of the shaft 43 around the shaft 45 describes a hyprochoid closed curve.
  • the number of teeth of the chain gear 36 and gear 37 are correlated as 2: 1 - in this case, the shaft 43 describes an elliptical trajectory.
  • the compression ratio of the elliptical trajectory depends on the ratio of the distances between the axis 35 of the shaft 34 and the axis 46 of the shaft 45 on the one hand, and the distance between the axis 44 of the shaft 43 and the axis 46 of the shaft 45 on the other hand.
  • the output shaft 57 repeats the torque of the drive shaft 64. Torque between the shafts 64 and 57 are transmitted using a bevel gear - a driven bevel gear 66, gears 67 rotating on a shaft 69, and a driven bevel gear 70. Torque from the output shaft 57 using two chain gears (the first chain gear is gears 56 and 60, chain 58, a second chain transmission — gears 40 and 42, chain 41) and a common shaft 33 extending inside the shaft 45 are transmitted to the blade 33, which is rigidly attached to the chain gear 42.
  • the first chain gear is gears 56 and 60, chain 58, a second chain transmission — gears 40 and 42, chain 41
  • the eccentricity of the control bearing 51 is 0 along the axis 35 of the stationary shaft 34.
  • the pusher 54 acts on the console 55 (the console is conventionally shown pointing downwards - it is actually directed towards the observer, at 90 ° to the plane of the picture), which rotates the planetary gear housing 65.
  • an additional Yelnia satellites 67 turn on their rotation axis, which leads to the preparation of torque from the input shaft 64 and the command torque occurring due to change of the eccentricity of the bearing 51.
  • the total torque supplied to the blade 33 in the manner described above.
  • chain drives can be replaced by gears of rotating shafts with bevel gears.
  • an eccentric can be used instead of an inclined guide.
  • the proposed planetary mechanism for summing the torques can be replaced by another.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Retarders (AREA)

Abstract

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к авиастроению, а именно, к циклоидальному ротору, который может использоваться для создания подъемной силы и управления воздушным судном. Циклоидальный ротор содержит диск (1) с консолями (3), на которых закреплены лопасти (5), выполненные с возможностью движения по некруговой траектории с помощью привода и системы управления. Консоли (3) выполнены с возможностью вращения в противоположном направлении относительно направления вращения диска (1). Один конец каждой консоли (3) является ее осью вращения (4), на противоположном конце консоли (3) закреплена лопасть (5). Незакреплённые на оси концы консолей выполнены с возможностью создания эллиптической траектории. Система управления содержит механизм наклона эллиптической траектории и механизм управления углом атаки лопасти, сопряженные с приводом. Согласно способу объединением круговой траектории оси консоли (3) относительно оси вращения корпуса диска (1) и круговой траектории оси лопасти (5) относительно оси вращения консоли (3) получают эллиптическую траекторию (7) движения оси лопасти относительно оси вращения диска. Техническим результатом изобретения является увеличение эффективности циклоидального ротора путем изменения круговой траектории лопасти на эллиптическую.

Description

ЦИКЛОИДАЛЬНЫЙ РОТОР С ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ТРАЕКТОРИЕЙ ДВИЖЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ СУДНОМ С ПОМОЩЬЮ ЦИКЛОИДАЛЬНОГО РОТОРА
Изобретение относится к авиационной технике, в частности к авиастроению, а именно, к циклоидальному ротору, который может использоваться для создания подъемной силы и управления воздушным судном, позволяет приближаться к вертикальным объектам на минимальное расстояние и даже сталкиваться с ними без опасности задеть вертикальные плоскости вращательными винтами для спасения людей в горах или высотных зданий, а также в условиях плохой видимости.
Известны примеры применения циклоидальных роторов, описанные в патентах США No 5265827 и 6932296. В известных классических циклоидальных роторах лопасти вращаются по круговой орбите. Таким образом, период в каждом обороте, в течение которого лопасть может генерировать подъемную силу, ограничен круговой геометрией орбиты и имеет только две доступные степени свободы - вращение вокруг центральной оси и вращательное движение лопасти вокруг собственной оси.
В классической конструкции циклоидального ротора есть существенный недостаток - низкая эффективность вследствие того, что вектор подъемной силы, возникающий при вращении, только в двух точках траектории движения лопасти имеет необходимое направление, на других участках траектории вектор подъемной силы направлен под углом к необходимому направлению, а по величине он на этих участках траектории существенно уменьшается, что значительно снижает суммарную результирующую подъемную силу.
Ближайшим к заявляемому изобретению является циклоидальный ротор, на котором установлены механизмы поддержки лопастей, выполненных с возможностью движения не по круговым орбитам, а по удлиненным динамически изменяемым орбитам с помощью привода и управления для изменения их положения. Конструкция оборудована компьютерной системой и исполнительным механизмом для оперативного изменения угла атаки лопасти и системой компьютерного управления для активации нужных механизмов для изменения положения и угла атаки лопасти в зависимости от угловой орбитальной позиции и действия органов управления.
Удлиненная орбита обеспечивает больший рабочий период в каждом цикле и оптимизирует угол атаки лопасти, позволяет добиться максимальной подъемной силы на горизонтальных отрезках траектории. Большинство вариантов дополнено компьютерной системой, контролирующей систему приводов, динамически изменяя траекторию лопасти и угол атаки, может также иметь компьютерную систему, контролирующую приводы для динамического изменения пространственной ориентации лопастей, создание условий для их косых перемещений вверх/вниз, и разворотов вперед/назад, точно контролирующую различные аэродинамические эффекты для обеспечения оптимальной производительности на различных режимах работы, борьбы с порывами ветра. Таким образом, циклоидальный ротор при использовании вертикального взлета и посадки воздушных судов требует более низкую мощность двигателя, чтобы повысить эксплуатационные характеристики вертикального взлета и посадки винтокрылых машин [US 2009/0226314 Al, F01D 7/00, 2009].
Изменение траектории движения лопасти в этом техническом решении происходит вследствие применения особых направляющих или путем изменения размера консоли, на которой закреплена лопасть (размер консоли меняется путем вращения в спиральных направляющих). Это не позволяет построить реальный аппарат по следующим причинам:
- скорость движения лопасти на полном цикле траектории не меняется (примерно так, как в транспортерной ленте), но на участках изменения направления движения скорость необходимо максимально уменьшать, чтобы уменьшить биение и вибрацию;
- большие потери на трение, поскольку создание вытянутой эллиптической траектории реализовано путем применения направляющих и, как следствие, больших энергозатрат и малого уровня надежности и долговечности;
- отсутствие главного преимущества циклоидного ротора, а именно, простоты и скорости изменения результирующего вектора подъемной силы.
В основу изобретения поставлена задача создания эффективного циклоидального ротора с эллиптической трпекторией движения лопастей.
Вторая задача, поставленная в основу изобретения, - создание способа управления воздушным судном с помощью циклоидального ротора, который повысил бы эффективность циклоидального ротора путем изменения круговой траектории лопасти на эллиптическую.
Поставленную задачу решают тем, что в циклоидальном роторе с эллиптической трпекторией движения лопастей, содержащем диск с консолями, на которых закреплены лопасти, выполненные с возможностью движения по эллиптической траектории с помощью привода и системы управления для изменения их положения, согласно изобретению, на диске размещено по кругу диаметрально противоположно четное число консолей, выполненных с возможностью вращения в противоположном направлении относительно направления вращения диска и со скоростью в два раза большей, чем скорость вращения диска, один конец каждой консоли является ее осью вращения, а на противоположном конце консоли закреплена лопасть, имеющая свою ось вращения, а концы консолей, которые не закреплены на оси, выполнены с возможностью создания эллиптической траектории, при этом система управления включает механизм наклона эллиптической траектории и механизм управления углом атаки лопасти, а привод сопряжен с механизмом удержания хорды лопасти на касательной к траектории и механизмом формирования эллиптической траектории, причем система привода выполнена электрической или механической.
Количество консолей составляет 2, 4 или 6, оптимально 6.
Длина консоли не превышает радиус диска, на котором размещены оси вращения консолей, для недопущения сталкивания в процессе вращения, а длина консоли максимально близка к радиусу диска для увеличения растянутости эллиптической траектории.
К электрической системе привода относятся привод диска с валом, зубчатые колеса привода консолей, цепь или коническая передача для соединения зубчатых колес, модулятор, модулирующий угол атаки лопасти с осью вращения вала и зубчатым колесом вала, цепь или коническая передача, соединяющая зубчатое колесо вала модулятора и зубчатое колесо вала привода лопасти, выходной вал зубчатого колеса привода консолей для изменения наклона эллиптической траектории.
К механической системе привода относятся цепные передачи для вращения корпуса вокруг неподвижного вала с образованием планетарной передачи, состоящей из цепных шестерен, закрепленных на валах и соединенных между собой цепью, количество зубцов цепных шестерен соотносятся как 2:1 для описания валом эллиптической траектории.
Привод соединен с механизмом формирования эллиптической траектории, соединенной с механизмом содержание хорды лопасти на касательной к траектории и с валом вращения консоли, соединенным с валом вращения лопасти, соединенным с сумматором вращающихся моментов, объединенным с механизмом удержания хорды лопасти на касательной к траектории и механизмом управления углом атаки лопасти, соединенным с органами управления, соединенными с системой управления сервоприводом, соединенным с механизмом удержания хорды лопасти на касательной к траектории, а органы управления соединены с механизмом наклона эллиптической траектории, соединенной с валом вращения консоли.
Вторую поставленную з-адачу решают тем, что в способе управления воздушным судном с помощью циклоидального ротора, включающем изменение траектории лопасти и угла атаки с помощью привода и управления для изменения положения лопастей, согласно изобретению с помощью приводного двигателя через трансмиссию передают крутящий момент на вал привода диска, жестко соединеного с корпусом диска и при вращении которого образуется планетарный механизм, состоящий из недвижимого зубчатого колеса, водила - корпуса диска и спутникового зубчатого колеса, закрепленного на подвижной оси - вращательном валу консоли, с помощью вращательного вала консоли получают крутящий момент через зубчатое колесо привода консоли и с помощью цепной передачи, при этом соотношение количества зубцов зубчатых колес, соединенных цепной передачей, составляет 2:1 при скорости вращения оси консоли относительно корпуса диска, в два раза превышающей скорость вращения корпуса диска и противоположных направлениях вращения, составлением круговой траектории оси консоли относительно оси вращения корпуса диска и круговой траектории оси лопасти относительно оси вращения консоли получают эллиптическую траекторию оси лопасти относительно оси вращения диска.
В электрическом способе управление углом поворота оси лопасти осуществляют с помощью сервопривода как модулятора, при этом при нулевом угле атаки лопасти на модулятор поступает сигнал, удерживающий хорду лопасти вдоль касательной к траектории в точке нахождения оси лопасти, а при поступлении сигнала изменяется угол атаки лопасти, модулятор суммирует два сигнала, и лопасть движется по траектории с заданным углом атаки.
Сервопривод состоит из механизма удержания хорды лопасти на касательной к траектории, механизма управления углом атаки лопасти и сумматора вращающихся моментов.
В механическом способе управление углом поворота оси лопасти применяют механизм удержания хорды лопасти вдоль касательной к траектории в точке нахождения оси лопасти, механизм формирования угла атаки лопасти и сумматор вращающихся моментов.
С помощью консоли, вращающейсяся вокруг оси на корпусе диска, образуют еще один планетарной механизм, состоящий из недвижимого зубчатого колеса, закрепленного на валу исполнительного устройства, водила, образованного корпусом консоли и спутникового зубчатого колеса, расположенного на оси лопасти, при этом зубчатые колеса соединены между собой цепной передачей, а соотношение количества зубцов этой передачи составляет 1 :1.
При работе механизма, состоящего из двух планетарных передач, управляют двумя параметрами - изменением угла наклона эллиптической траектории движения лопасти и изменением угла атаки лопасти, причем изменение угла наклона эллиптической траектории движения лопасти осуществляют путем поворота центрального зубчатого колеса с помощью выходного вала, который через систему приводов сопряжен с органами управления, для изменения фазового сдвига консолей, циклически вращающихся, и изменения на тот же угол, что и угол центрального зубчатого колеса, наклона эллиптической траектории движения лопастей, а изменение угла атаки лопасти осуществляют путем вращения вала исполнительного устройства, передавая с помощью зубчатого колеса вала модулятора угла атаки крутящий момент, полученный с исполнительного устройства, через цепную передачу на зубчатое колесо привода вала лопасти для создания разницы направлений между вектором скорости движения лопасти и хордой лопасти, получая изменение угла атаки лопасти.
Изменение круговой траектории движения лопасти на эллиптическую способствует увеличению эффективности циклоидного ротора.
Данная конструкция циклоидального ротора с эллиптическими орбитами лопастей может использоваться в воздушном судне, позволяющем приближаться к вертикальным объектам на минимальное расстояние и даже сталкиваться с ними без опасности задеть лопастями вертикальные плоскости, поскольку в данной конструкции сам циклоидальный ротор по периметру закрыт и только сверху и снизу имеет открытые пространства для создания потока воздуха. Воздушное судно, построенное на базе данной конструкции, пригодно для спасения людей в горах или высотных зданиях, в условиях плохой видимости. На базе данной конструкции можно построить автомобиль, способный взлетать без разбега и без опасности задеть окружающих подвижными лопастями. Конструкцию можно использовать для создания аппаратов на воздушной подушке. Целесообразно оборудовать воздушные суда, использующие данную конструкцию, системой пространственной стабилизации, поскольку конструктивно центр тяжести в таких аппаратах находится на близком расстоянии от точки приложения подъемной силы.
Консоли размещены на диске парами, диаметрально противоположно для компенсации дисбаланса, возникающего при вращении. Для недопущения столкновения в процессе вращения длина консоли не превышает радиус диска, на котором размещены оси вращения консолей.
Для увеличения растянутости эллиптической траектории длина консоли максимально близка к радиусу диска.
Для минимизации пульсаций суммарной подъемной силы, возникающей в процессе движения лопастей, оптимальное число консолей составляет шесть.
Изобретение поясняется рисунками.
На Фиг.1 - Фиг.З изображен циклоидальный ротор с тремя положениями диска, с шагом поворота в 20 градусов;
на Фиг.4 изображено пространственное изображение циклоидального ротора; на Фиг.5 изображена блок-схема управления эллиптической траекторией лопастей:
на Фиг.6 показан график зависимости линейной скорости лопасти вдоль большой оси эллипса и вдоль малой оси эллипса от угла поворота диска;
на Фиг.7 - Фиг.8 избражена электрическая система приводов циклоидальных ротора;
на Фиг.9 - механическая система приводов циклоидальных ротора;
на Фиг.10 показан график формирования сигнала для исполнительного устройства, задаюший угол атаки лопасти;
на Фиг.11 - график формирования сигнала для исполнительного устройства с использованием второй гармоники;
на Фиг.12 - графики подъемной силы для каждой отдельно взятой пары противоположных лопастей и суммарная подъемная сила;
на Фиг.13 - Фиг.14 - процесс наклона эллиптической траектории.
На Фиг.1 изображен циклоидальный ротор, содержащий диск 1, выполненный с возможностью вращения относительно своей оси 2 со скоростью п оборотов, четное число консолей 3, размещенных на диске диаметрально противоположно для компенсации дисбаланса, возникающего при вращении и выполненных с возможностью вращения в противоположном направлении относительно направления вращения диска со скоростью 2п. Один конец консоли является ее осью 4 вращения, на противоположном конце консоли 3 закреплена лопасть 5, имеющая свою ось 6 вращения.
Оси 4 вращения консолей 3 размещены равномерно по кругу. В этом случае оси 6 лопастей 5 описывают эллиптическую траекторию 7. Расстояние Н между осями 4 и 6 не может превышать расстояние R между осями 4 и 2 для недопущения столкновения консолей в процессе вращения и в то же время расстояние Н должен быть максимально близко к расстоянию R для увеличения растянутости эллиптической траектории. Исходя из указанных условий, количество консолей 3 может составлять 2, 4 или 6, но для минимизации пульсаций суммарной подъемной силы, возникающей в процессе движения лопастей 5, оптимальное число консолей 6.
Циклоидальный ротор содержит привод диска с валом 8, зубчатые колеса 9 и 10 привода консолей, цепь 11 или коническую передачу для соединения зубчатых колес 9, 10, модулятор 12 (исполнительное устройство, модулирующее угол атаки лопасти 5) вращения вала 13 с зубчатым колесом 14 вала модулятора, цепь 15 или коническую передачу, соединяющую зубчатое колесо 14 вала модулятора и зубчатое колесо 16 вала 17 привода лопасти 5 (Фиг.6, Фиг.7), выходной вал 18 зубчатого колеса 9 привода консолей для изменения наклона эллиптической траектории. На фиг.7 показана траектория 19 движения оси 4 вращения консоли 3 и траектория 7 движения оси 6 вращения лопасти 5. Спутниковое зубчатое колесо 10 закреплено на валу 20.
На Фиг.5 изображена блок-схема управления эллиптической траекторией лопастей, содержащая привод 21, соединенный с механизмом 22 формирования эллиптической траектории, соединенным с механизмом 23 удержание хорды лопасти на касательной к траектории и с валом 24 вращения консоли, соединенным с валом 25 вращения лопасти, соединенным с сумматором 26 вращающихся моментов, соединенным с механизмом 23 удержания хорды лопасти по касательной к траектории и механизмом 27 управления углом атаки лопасти, соединенным с органами 28 управления, соединенными с системой 29 управления сервоприводом, соединенным с механизмом 23 удержания хорды лопасти по касательной к траектории, а органы 28 управления соединены с механизмом 30 наклона эллиптической траектории, соединенным с валом 24 вращения консоли.
На Фиг.9 изображена механическая система приводов циклоидального ротора, содержащая корпус 31, консоль 32, лопасть 33, неподвижный вал 34, ось 35 вала 34, цепные шестерни 36, 37, цепь 38, общий вал 39, цепную шестерню 40, цепь 41, цепную шестерню 42, вал 43, ось 44 вала 43, вал 45, ось 46 вала 45, толкатель 47, наклонную направляющую 48, цепную передачу 49, толкатель 50, управляющий подшипник 51, цепную передачу 52, соединение 53, толкатель 54, консоль 55, шестерню 56, выходной вал 57, цепь 58, ведомое 59 зубчатое колесо, шестерню 60, ведущее 61 зубчатое колесо, шестерни 62, 63, ведущий вал 64 планерного механизма, корпус 65 планерного механизма, коническое зубчатое колесо 66, сателлиты 67, жесткую связь 68, вал 69, ведомую консоль 70 зубчатого колеса.
Способ управления циклоидальных ротором осуществляют следующим образом.
С помощью приводного двигателя через трансмиссию (не показана) передают крутящий момент на вал 8 привода диска (Фиг.8), который жестко соединен с корпусом диска 1 и при вращении которого образуется планетарный механизм, состоящий из неподвижного зубчатого колеса 9, водила - корпуса диска 1 и спутникового зубчатого колеса 10, закрепленного на валу 20 консоли 3. Через вал 20 консоли 3 получают крутящий момент через зубчатое колесо 10 привода консоли 3 с помощью цепи 11. Соотношение зубцов зубчатых колес 9 и 10, соединенных цепью 11, составляет 2:1. В результате скорость вращения вала 20 консоли 3 относительно корпуса диска 1 в два раза выше скорости вращения корпуса диска 1 относительно оси вращения 2, и их направления вращения противоположны.
Консоль 3, вращающаяся вокруг подвижной оси 4 на корпусе диска 1, образует еще один планетарной механизм, состоящий из недвижимого (при отсутствии управляющего сигнала на исполнительном механизме) зубчатого колеса 14, закрепленного на валу 4 модулятора 12, водила, образованного корпусом консоли 3 и спутникового зубчатого колеса 16, расположенного на оси 6 лопасти 5. Зубчатые колеса 14 и 16 соединены между собой цепью 15. Соотношение зубцов этой передачи составляет 1 :1.
Составлением круговой траектории 19 оси 4 вала 20 консоли 3 относительно оси вращения 2 корпуса диска 1 и круговой траектории оси 6 лопасти 5 относительно оси 4 вала 20 консоли 3 получают эллиптическую траекторию 7 оси 6 лопасти 5 относительно оси 2 корпуса диска 1.
При работе описанного механизма, состоящего из двух планетарных передач, возможно управления двумя параметрами - изменением угла наклона эллиптической траектории оси 6 лопасти 5 и изменением угла атаки лопасти 5.
Изменение угла наклона эллиптической траектории 7 оси 6 лопасти 5 осуществляют путем поворота на определенный угол центрального зубчатого колеса 9 поворотом выходного вала 18. Через систему приводов (не показана) выходной вал 18 соединен с органами управления. При этом происходит изменение фазового сдвига вращения консолей 3 и поворот на тот же угол, что и центрального зубчатого колеса, наклона эллиптической траектории 7 движения лопастей 5.
Изменение угла атаки лопасти 5 осуществляют путем вращения вала 13 модулятора 12. При этом с помощью цепной передачи 15 передают крутящий момент от зубчатого колеса 14 на валу 13 модулятора 12 на зубчатое колесо 16 на валу 17 привода лопасти 5, что создает разницу направлений между вектором скорости движения лопасти и хордой лопасти, то есть изменение угла атаки лопасти.
На Фиг.1 - Фиг.З показаны три положения диска 1 с шагом в 20 градусов. Лопасти 5, закрепленные на концах консоли 3, имеют линейную скорость, зависящую от расстояния R между осью 2 вращения диска 1 и осью 4 вращения консоли 3, от расстояния Н между осью 4 вращения консоли 3 и осью 6 поворота лопасти 5 и скорости вращения диска 1. Суммарную линейную скорость лопасти 5 вдоль траектории можно разложить на две составляющие: первая - это скорость вдоль большой оси эллиптической траектории (горизонтальная скорость лопасти), вторая - вдоль малой оси (вертикальная скорость лопасти). На графике Фиг.6 изображена зависимость А линейной скорости (Vgor) лопасти 5 вдоль большой оси эллиптической траектории и зависимость В линейной скорости (Vver) лопасти 5 вдоль малой оси эллиптической траектории от угла поворота диска 1. На концах большой оси эллиптической траектории линейная горизонтальная скорость лопасти 5 равна нулю, что позволяет минимизировать дисбаланс в точках изменения знака вектора скорости, вертикальная скорость в этих точках максимальная, но вектор скорости не меняющий знак, также минимизирует дисбаланс.
Эти скорости выражаются формулами:
Vgor = 2 n (R + Н) sin (а)
Vver = 2 n (R-H) cos (а)
где п - обороты диска в секунду,
R - расстояние между осью 2 вращения диска 1 и осью 4 вращения консоли 3,
Н - расстояние между осью 4 вращения консоли 3 и осью 6 вращения лопасти 5.
Величина угла атаки лопасти 5 на всем участке траектории выбирают из условий:
- создание определенной величины силы подъема;
- создание силы подъема отдельно взятой лопасти 5 такой, чтобы суммарная сила подъема от всех лопастей имела минимальные пульсации;
- создание разницы суммарной подъемной силы на разных участках траектории для возможности управления воздушным судном.
В процессе вращения диска 1 угол атаки лопасти 5 модулируют, вращая вал 13 исполнительным устройством 12.
На Фиг.7 и Фиг.8 показана кинематика привода для изменения угла атаки. Вал 4 исполнительного устройства 12 в процессе вращения совершает один оборот вместе с диском 1, то есть относительно диска 1 вал 4 неподвижен. Но если угол поворота вала 4 менять по определенному алгоритму, то по такому же алгоритму будет изменяться и угол атаки лопасти 5. В упрощенном варианте угол поворота вала 4 можно менять механически (механизм напоминает механизм перекоса, используемый на вертолетах), но поскольку алгоритм изменения угла атаки в данном случае гораздо сложнее, чем в обычном вертолете, то угол поворота оси меняет исполнительное устройство модулятора 12, соединенное с компьютером (не показано).
Модуляции угла атаки лопасти:
- создание определенной величины подъемной силы;
- создание подъемной силы отдельно взятой лопасти 5 такой, чтобы суммарная подъемная сила от всех лопастей 5 имела минимальные пульсации;
- создание разницы суммарной подъемной силы на разных участках траектории для возможности управления воздушным судном.
Формирование сигнала, поступающего на исполнительное устройство модулятора 12 и меняющего угол атаки, подобно формированию сигнала в радиотехнике, где для создания определенной формы импульса используются гармоничные синусоидальные сигналы различной частоты, фазы и амплитуды.
На Фиг.10 показан результирующий сигнал С, поступающий на исполнительное устройство модулятора 12. Из графика видно, что этот сигнал сформирован как сумма первой гармоники D, третьей гармоники Е, пятой гармоники К и девятой гармоники G. Результирующий сигнал сформирован именно таким для создания суммарной подъемной силы, имеющей минимальный уровень пульсаций. Первай гармоника С по частоте совпадает с частотой вращения диска 1, фаза равна нулю, когда скорость лопасти 5 по большой оси эллиптической траектории равна нулю, по амплитуде ее величину взято из условий максимальной подъемной силы для определенного профиля лопасти 5 (то есть коэффициент амплитуды первой гармоники D равен 1, когда угол атаки лопасти 5 максимальный и его дальнейшее увеличение уже не приводит к росту подъемной силы). Сдвиг фазы третьей гармоники Е, пятой гармоники К и девятой гармоники G относительно первой гармоники D равен нулю, коэффициенты амплитуд этих гармоник взяты относительно коэффициента амплитуды первой гармоники D, и они остаются постоянными.
При движении лопастей 5, кроме подъемной силы и силы сопротивления, возникает также опрокидывающий момент, направленный в сторону, противоположную направлению вращения диска 1. Для его компенсации или наоборот для управления его величиной и направлением в процессе управления воздушным судном необходимо создать разницу подъемной силы на правой и левой частях большой оси эллиптической траектории. Для этого необходимо в создание сигнала внести вторую гармонику Н (Фиг.9), создающую разницу углов атаки на правой и левой частях большой оси эллиптической траектории (Фиг.10).
На Фиг.12 показаны графики подъемной силы для каждой отдельно взятой пары противоположных лопастей 5 (поз. Fl, F2, F3) и суммарная подъемная сила F для случая, когда вторая гармоника равна 0 (нулю). Поз.Р1 , F2;, F3; показывают сдвиг фазы подъемной силы и возникновение момента сил (поз.8) для суммарной подъемной силы F;v в случае добавления в алгоритм управление углом атаки второй гармоники.
При определенном увеличении угла атаки в верхней части эллиптической траектории и уменьшении в нижней части (или наоборот) суммарная подъемная сила не меняется, но при этом изменяется сопротивление движению лопастей 5 в верхней и нижней частях траектории, в результате чего возникает горизонтально направленная сила, перемещающая воздушное судно по горизонтали в плоскости вращения дисков. Размер этой горизонтально направленной силы невелик, и этот механизм применяют при точном позиционировании воздушного судна.
Для создания разницы подъемной силы вдоль оси лопасти 5 возможно применение скручивания лопасти в небольшом диапазоне, то есть, если угол атаки на правом конце лопасти 5 больше, чем на левом (или наоборот), то возникает момент сил относительно продольной оси летательного аппарата.
Для создания горизонтально направленной силы большой величины при движении воздушного судна с крейсерской скоростью применяют механизм наклона эллиптической траектории. При этом суммарная подъемная сила всех лопастей 5 будет направлена не вертикально вверх, а под углом к вертикали, что влечет возникновение горизонтальной силы значительной величины, достаточной для перемещения воздушного судна с большой скоростью.
Механизм наклона эллиптической траектории устроен следующим образом (Фиг.13-Фиг.14).
На оси 2 вращения диска 1 находится сначала недвижимое зубчатое колесо 9, соединенное с помощью цепной или конической передачи (коэффициент передачи равен 2-м) с валом вращения консоли 20. Если зубчатое колесо 9 через выходной вал 18 повернуть в любую сторону на угол а, то консоль повернется в ту же сторону на угол 2а. Поскольку с центральным зубчатым колесом соединены все консоли, то они все будут повернуты на одинаковый угол, что приведет к наклону эллиптической траектории - соответственно состоится наклон суммарной подъемной силы и, как результат, появление горизонтальной составляющей подъемной силы. Поскольку угол наклона траектории не связан с наклоном площади вращения любых вращающихся тел, а лишь с изменением фазы их вращения (в данном случае фазы вращения консолей относительно диска), то наклон траектории не создаст отклонений, вызванных гироскопическим эффектом. Наклон траектории не требует приложения большой силы и может быть проведен практически мгновенно подобно изменению направления силы тяги в классическом циклоидном роторе.
Эллиптическая траектория лопасти, сформированная как гипотрохоидная замкнутая кривая, имеет свойство сохранять неизменным момент импульса любой малой части описанного механизма. Постоянство момента импульса исключает возникновение момента сил на составных частях механизма при удалении или приближении лопасти к центру эллиптической траектории.
Механизм формирования эллиптической траектории.
Привод 21 с помощью цепной передачи (48, 49) и беспроводной технологии 53 вращает корпус 31 вокруг неподвижного вала 34. При этом образуется планетарная передача, состоящая из цепной шестерни 36, закрепленной на валу 34, и цепной шестерни 37, закрепленной на валу 45. Цепные шестерни 36 и 37 соединены между собой цепью 38. Вал 45 соединен с консолью 32. На незакрепленном конце консоли на валу 43 вращается лопасть 33. Ось 44 вала 43 в процессе вращения вала 45 вокруг вала 34 и вращения вала 43 вокруг вала 45 описывает гипотрохоидну замкнутую кривую. Количество зубцов цепной шестерни 36 и шестерни 37 соотносятся как 2:1 - в этом случае вал 43 описывает эллиптическую траекторию. Степень сжатия эллиптической траектории зависит от соотношения расстояний между осью 35 вала 34 и осью 46 вала 45 с одной стороны, и расстояния между осью 44 вала 43 и осью 46 вала 45 с другой стороны.
При нулевом угле атаки лопасти хорду лопасти необходимо удерживать на касательной к траектории в точке нахождения вала 25 вращения лопасти. Поскольку в процессе прохождения лопастей одного оборота по эллиптической траектории угол касательной изменяется по эллиптической функции, для формирования этого угла применяют эллиптическую зубчатую передачу (цепные шестерни 36 и 37). Крутящий момент на эллиптическую зубчатую передачу поступает с вала 45 через зубчатую передачу и состоит из ведущего зубчатого колеса 61 и ведомого зубчатого колеса 59. После эллиптической пары крутящий момент поступает на ведущий вал 64 планетарного механизма, находящегося в корпусе 65. При отсутствии управляющего крутящего момента, поступающего на корпус планетарного механизма через консоль 55, выходной вал 57 повторяет крутящий момент ведущего вала 64. Крутящий момент между валами 64 и 57 передается с помощью конической зубчатой передачи - ведомое коническое зубчатое колесо 66, сателлиты 67, вращающиеся на валу 69, и ведомое коническое зубчатое колесо 70. Крутящий момент с выходного вала 57 с помощью двух цепных передач (первая цепная передача - шестерни 56 и 60, цепь 58, вторая цепная передача - шестерни 40 и 42, цепь 41) и общего вала 33, проходящего внутри вала 45, передается на лопасть 33, которая жесткой связью 68 закреплена на цепной шестерни 42.
Механизм формирования угла атаки лопасти.
При нулевом угле атаки лопасти эксцентриситет управляющего подшипника 51 равен 0 по оси 35 недвижимого вала 34. При осевом возвратно-поступательном движении толкателя 47 с помощью наклонной направляющей 48 и толкателя 50 меняется эксцентриситет управляющего подшипника 51 относительно оси 35 вала 34. Тем самым толкатель 54 воздействует на консоль 55 (консоль условно показана направленной вниз - реально она направлена в сторону наблюдателя, под 90° к плоскости рисунка), которая поворачивает корпус планетарного механизма 65. При этом происходит дополнительный поворот сателлитов 67 по их оси вращения, что приводит к составлению крутящего момента от входного 64 вала и управляющего крутящего момента возникающего из-за изменения эксцентриситета подшипника 51. Суммарный крутящий момент поступает на лопасть 33 способом, описанным выше.
В описанной конструкции цепные передачи могут быть заменены на передачи вращающихся валов с коническими зубчатыми передачами.
В механизме изменения эксцентриситета управляющего подшипника может использоваться эксцентрик вместо наклонной направляющей.
Предложенный планетарный механизм для суммирования вращательных моментов может быть заменен на другой.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Циклоидальный ротор с эллиптической трпекторией движения лопастей, содержащий диск с консолями, на которых закреплены лопасти, выполненные с возможностью движения по некруговой траектории с помощью привода и системы управления для изменения их положения, отличающийся тем, что на диске размещено по кругу диаметрально противоположно четное число консолей, выполненных с возможностью вращения в противоположном направлению относительно направления вращения диска и со скоростью в два раза большей, чем скорость вращения диска, один конец каждой консоли является ее осью вращения, а на противоположном конце консоли закреплена лопасть, имеющая свою ось вращения, а концы консолей, которые не закреплены на оси, выполнены с возможностью создания эллиптической траектории, при этом система управления включает механизм наклона эллиптической траектории и механизм управления углом атаки лопасти, а привод сопряжен с механизмом удержания хорды лопасти на касательной к траектории и механизмом формирования эллиптической траектории, причем система привода выполнена электрической или механической.
2. Циклоидальный ротор, отличающийся тем, что количество консолей составляет 2, 4 или 6, оптимально 6.
3. Циклоидальный ротор, который отличается тем, что длина консоли не превышает радиус диска, на котором размещены оси вращения консолей, для недопущения сталкивания в процессе вращения, а длина консоли максимально близка к радиусу диска увеличение растянутости эллиптической траектории.
4. Циклоидальный ротор, отличающийся тем, что к электрической системе привода принадлежат привод диска с валом, зубчатые колеса привода консолей, цепь или коническая передача для соединения зубчатых колес, модулятор, модулирующий угол атаки лопасти с осью вращения вала и зубчатым колесом вала, цепь или коническая передача, соединяющая зубчатое колесо вала модулятора и зубчатое колесо вала привода лопасти, выходной вал зубчатого колеса привода консолей для изменения наклона эллиптической траектории.
5. Циклоидальный ротор, отличающийся тем, что к механической системе привода принадлежат цепные передачи для вращения корпуса вокруг неподвижного вала с образованием планетарной передачи, состоящей из цепных шестерен, закрепленных на валах и соединенных между собой цепью, количество зубцов цепных шестерен соотносятся как 2:1 для описания валом эллиптической траектории.
6. Циклоидальный ротор, отличающийся тем, что привод соединен с механизмом формирования эллиптической траектории, соединенной с механизмом содержание хорды лопасти на касательной к траектории и с валом вращения консоли, соединен с валом вращения лопасти, соединенным с сумматором вращающихся моментов, объединенным с механизмом удержания хорды лопасти на касательной к траектории и механизмом управления углом атаки лопасти, соединенным с органами управления, соединенными с системой управления сервоприводом, соединенным с механизмом удержания хорды лопасти на касательной к траектории, а органы управления соединены с механизмом наклона эллиптической траектории, соединенной с валом вращения консоли.
7. Способ управления воздушным судном с помощью циклоидального ротора, включающем изменение траектории лопасти и угла атаки с помощью привода и управления для изменения положения лопастей, отличающийся тем, что с помощью приводного двигателя через трансмиссию передают крутящий момент на вал привода диска, жестко соединеного с корпусом диска и при вращении которого образуется планетарный механизм, состоящий из недвижимого зубчатого колеса, водила - корпуса диска и спутникового зубчатого колеса, закрепленного на подвижной оси - вращательном валу консоли, с помощью вращательного вала консоли получают крутящий момент через зубчатое колесо привода консоли и с помощью цепной передачи, при этом соотношение количества зубцов зубчатых колес, соединенных цепной передачей, составляет 2:1 при скорости вращения оси консоли относительно корпуса диска, в два раза превышающей скорость вращения корпуса диска и противоположных направлениях вращения, составлением круговой траектории оси консоли относительно оси вращения корпуса диска и круговой траектории оси лопасти относительно оси вращения консоли получают эллиптическую траекторию оси лопасти относительно оси вращения диска.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в электрическом способе управление углом поворота оси лопасти осуществляют с помощью сервопривода как модулятора, при этом при нулевом угле атаки лопасти на модулятор поступает сигнал, удерживающий хорду лопасти вдоль касательной к траектории в точке нахождения оси лопасти, а при поступлении сигнала изменяется угол атаки лопасти, модулятор суммирует два сигнала, и лопасть движется по траектории с заданным углом атаки.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что сервопривод состоит из механизма удержания хорды лопасти на касательной к траектории, механизма управления углом атаки лопасти и сумматора вращающихся моментов.
10. Способ по п.7, отличающийся тем, что в механическом способе управление углом поворота оси лопасти применяют механизм удержания хорды лопасти вдоль касательной к траектории в точке нахождения оси лопасти, механизм формирования угла атаки лопасти и сумматор вращающихся моментов.
11. Способ по п.7, отличающийся тем, что с помощью консоли, вращающейсяся вокруг оси на корпусе диска, образуют еще один планетарной механизм, состоящий из недвижимого зубчатого колеса, закрепленного на валу исполнительного устройства, водила, образованного корпусом консоли и спутникового зубчатого колеса, расположенного на оси лопасти, при этом зубчатые колеса соединены между собой цепной передачей, а соотношение количества зубцов этой передачи составляет 1:1.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что при работе механизма, состоящего из двух планетарных передач, управляют двумя параметрами - изменением угла наклона эллиптической траектории движения лопасти и изменением угла атаки лопасти, причем изменение угла наклона эллиптической траектории движения лопасти осуществляют путем поворота центрального зубчатого колеса с помощью выходного вала, который через систему приводов сопряжен с органами управления, для изменения фазового сдвига консолей, циклически вращающихся, и изменения на тот же угол, что и угол центрального зубчатого колеса, наклона эллиптической траектории движения лопастей, а изменение угла атаки лопасти осуществляют путем вращения вала исполнительного устройства, передавая с помощью зубчатого колеса вала модулятора угла атаки крутящий момент, полученный с исполнительного устройства, через цепную передачу на зубчатое колесо привода вала лопасти для создания разницы направлений между вектором скорости движения лопасти и хордой лопасти, получая изменение угла атаки лопасти.
PCT/UA2019/000006 2018-01-15 2019-01-15 Циклоидальный ротор с эллиптической траекторией движения лопастей и способ управления воздушным судном с помощью циклоидального ротора WO2019139559A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UAA201800400 2018-01-15
UA201800400 2018-01-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019139559A1 true WO2019139559A1 (ru) 2019-07-18

Family

ID=67218726

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/UA2019/000006 WO2019139559A1 (ru) 2018-01-15 2019-01-15 Циклоидальный ротор с эллиптической траекторией движения лопастей и способ управления воздушным судном с помощью циклоидального ротора

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2019139559A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT202100023024A1 (it) * 2021-09-06 2023-03-06 Greensky S R L Aeromobile più leggero dell’aria

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6065935A (en) * 1900-09-17 2000-05-23 Voith Hydro Gmbh & Co. Kg Cycloidal propeller having blades which may be set into a sailing position
US20090226314A1 (en) * 2008-03-04 2009-09-10 Philip Bogrash Cycloidal rotor with non-circular blade orbit
WO2017112973A1 (de) * 2015-12-30 2017-07-06 Iat 21 Innovative Aeronautics Technologies Gmbh Fluggerät
WO2017175217A1 (en) * 2016-04-03 2017-10-12 Philip Bogrash Cycloidal rotor or propeller with performance and flows optimization

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6065935A (en) * 1900-09-17 2000-05-23 Voith Hydro Gmbh & Co. Kg Cycloidal propeller having blades which may be set into a sailing position
US20090226314A1 (en) * 2008-03-04 2009-09-10 Philip Bogrash Cycloidal rotor with non-circular blade orbit
WO2017112973A1 (de) * 2015-12-30 2017-07-06 Iat 21 Innovative Aeronautics Technologies Gmbh Fluggerät
WO2017175217A1 (en) * 2016-04-03 2017-10-12 Philip Bogrash Cycloidal rotor or propeller with performance and flows optimization

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT202100023024A1 (it) * 2021-09-06 2023-03-06 Greensky S R L Aeromobile più leggero dell’aria

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2307671B1 (en) Cycloidal rotor with non-circular blade orbit
US11235868B2 (en) Vibration control assembly for an aircraft and method of controlling aircraft vibration
US7347799B2 (en) Antivibration device having rotary flyweights and an epicyclic geartrain
RU2227107C2 (ru) Способ создания подъемной силы и горизонтальной тяги аэродинамическими поверхностями
EP2907747A1 (en) Cyclic pitch actuation system for counter-rotating propellers
WO2019139559A1 (ru) Циклоидальный ротор с эллиптической траекторией движения лопастей и способ управления воздушным судном с помощью циклоидального ротора
CN112441227A (zh) 一种类扑旋翼飞行器
US20040103729A1 (en) Dual-axis centrifugal propulsion system
US10906635B2 (en) Vibration control assembly
RU2664639C2 (ru) Способ преобразования кинетической энергии воздушного потока во вращательное движение плоской лопасти
US11858621B2 (en) Harmonic control actuator for aircraft
RU2682998C1 (ru) Вертолёт
EP3766779B1 (en) Rotor for a hover-capable aircraft
WO2012046488A1 (ja) 推進力発生装置
CN101927830A (zh) 利用离心力产生径向推力的方法
RU2773972C1 (ru) Винтокрылый летательный аппарат криштопа (влак), гибридная силовая установка (гсу) и способ функционирования влак с гсу (варианты)
RU2720699C1 (ru) Способ работы крыльчатого движителя и устройство для его осуществления
RU2388653C2 (ru) Устройство для вертикального подъема и движения летательных аппаратов
JPS59577A (ja) 慣性推進機関と慣性モ−タ−
JPH0834400A (ja) 内力にて回転を起こせる装置
RU1790708C (ru) Механизм Б.И.Козлова
CN114148510A (zh) 一种滚筒式旋翼直升飞行器升力单元
RU2128131C1 (ru) Летательный аппарат
CN115806034A (zh) 一种马格努斯驱动器
RU20946U1 (ru) Устройство, преобразующее вращательное движение в поступательное движение в одном направлении

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19738385

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19738385

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1