ПОДЪЕМНО-ТЯГОВЫЙ ВЕНТИЛЯТОР Российский патент 1995 года по МПК F04D29/32 

Изобретение относится к вентиляционным устройствам, в частности к вентиляторным силовым установкам летательных аппаратов, и может быть применено в качестве подъемно-тягового устройства для самолетов вертикального и короткого взлета.

Известен ряд силовых вентиляторных установок, который используют в качестве движителей и подъемных систем на некоторых экспериментальных самолетах вертикального взлета и посадки, например Белл Х-22, Райан ХУ-5А, Венгаpд С-30 и др. [1] Подъемно-тяговые вентиляторы, установленные на указанных летательных аппаратах, содержат установленные в аэродинамическом кольце лопасти, укрепленные в центральной втулке. При этом концы лопастей отстоят на том или ином расстоянии от внутренней поверхности кольца, т.е. данное устройство всегда выполняется таким образом, что диаметр вентилятора или воздушного винта всегда меньше внутреннего диаметра аэродинамического кольца.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве концы лопастей вентиляторного диска, которые являются основным источником шума, экранированы аэродинамическим кольцом только в плоскости их вращения, в то время как в продольном направлении шум распространяется беспрепятственно и составляет основную долю суммарного шума вентилятора.

Кроме того, при проектировании "винта в кольце" в расчет обычно берутся только осевые скорости воздуха, главные из них, скорость подсасывания V₁ и скорость отбрасывания V₂, причем для свободного винта всегда соблюдается соотношение V₂ 2V₁. Однако, как показывают опыт и теоретический расчет, скорость воздуха вдоль лопастей, особенно на их концах, имеет величину, превышающую скорость подсасывания V₁. Это приводит к тому, что часть воздуха, подходящая к лопасти, в случае ее свободного вращения, например, у несущего винта вертолета, сбрасывается с нее центробежной силой, что является основным источником так называемых концевых потерь, а в случае вращения лопасти внутри аэродинамического кольца пелена воздуха, стекающая в радиальном направлении с концов лопастей, отражается от цилиндрической поверхности внутренней части кольца и, двигаясь навстречу воздуху на входе, разворачивается и возвращается к лопасти, образуя явление, подобное известному в теории вертолета как режим вихревого кольца. При этом, несмотря на возврат отброшенного в радиальном направлении воздуха в плоскость вращения винта, он отнимает некоторую часть ометаемой винтом площади, что снижает его КПД.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является устройство, содержащее установленные в аэродинамическом кольце лопасти, укрепленные в центральной втулке, установленное на экспериментальном натурном стенде силовой установки Х 353-5 [2] (прототип).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве воздушный винт имеет диаметр меньше, чем внутренний цилиндрический канал аэродинамического кольца, что предопределяет все принципиальные недостатки такого технического решения, изложенные выше.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Силовые подъемно-тяговые "винты в кольце", как правило, проектируются таким образом, чтобы окружная скорость концов лопастей была максимальной. При этом ограничение окружной скорости лимитируется сжимаемостью воздуха и соответственно ростом волнового сопротивления. Обычно окружную скорость концов лопастей воздушного винта выбирают в пределах 0,75-0,85 от скорости звука.

В то же время известно, что уровень шума от вращающихся лопастей пропорционален шестой степени скорости данного элемента, а окружная скорость увеличивается пропорционально увеличению радиуса лопасти.

В изобретении предлагается концы лопастей, имеющие наибольшую окружную скорость, расположить в кольцевой выемке на внутренней поверхности аэродинамического кольца в плоскости их вращения, причем эту выемку профилировать таким образом, чтобы ее торцевая и верхняя поверхности были конгруэнтны торцевой и верхней поверхности концов лопастей, а нижняя плавно совмещалась с цилиндрической поверхностью внутренней части аэродинамического кольца.

Указанное конструктивное решение позволяет:
экранировать в осевом направлении наиболее шумные, т.е. имеющие наибольшую окружную скорость элементы лопастей воздушного винта их концы, а также обеспечить сброс части воздуха, разгоняемого центробежной силой вдоль радиуса лопастей, разгружая тем самым ометаемую площадь от части воздуха, отражаемой от стенки цилиндрического канала внутренней части аэродинамического кольца.

Таким образом, ввод концов лопастей "винта в кольце" в кольцевую выемку на внутренней части аэродинамического кольца, профилированную указанным выше способом, позволяет существенно снизить уровень шума подъемно-тягового устройства данного типа и повысить его относительный КПД.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем установленные в аэродинамическом кольце лопасти, укрепленные в центральной втулке, аэродинамическое кольцо имеет в плоскости вращения лопастей кольцевую выемку, плавно сопряженную с внутренней поверхностью кольца, при этом концы лопастей расположены в выемке, а их торцевая и верхняя поверхности соответственно конгруэнтны торцевой и верхней поверхности выемки.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволяет установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволяет выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками изобретения, результаты которого показывают, что изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижения технического результата, в частности изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
дополнение известного средства какой-либо известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которой установлено влияние именно такой замены;
исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На чертеже представлено предлагаемое устройство, продольный разрез.

Подъемно-тяговая система "винт в кольце" состоит из вентиляторного диска 1 с лопастями 2, укрепленными в центральной втулке 3, и охватывающего их аэродинамического кольца 4, на внутренней цилиндрической поверхности которого в плоскости вращения лопастей 2 выполнена кольцевая выемка 5, торцевая и верхняя поверхности которой конгруэнтны торцевой и верхней поверхностям лопастей 2 и плавным сопряжением нижней части кольцевой выемки 5 с нижней частью поверхности внутреннего цилиндрического канала аэродинамического кольца 4. Концы лопастей 2 входят в кольцевую выемку 5, т.е. диаметр внутреннего канала аэродинамического кольца 4 меньше диаметра вентиляторного диска 1.

Вентилятор работает следующим образом.

При вращении вентиляторного диска 1 часть воздушного потока, поступающего на вход аэродинамического кольца 4, захватывается лопастями 2 и отбрасывается центробежной силой к стенке канала аэродинамического кольца 4. В известных конструкциях, когда диаметр вентиляционного диска 1 меньше диаметра внутреннего цилиндрического канала аэродинамического кольца 4, отброшенный центробежной силой воздух отражается от стенки канала и, взаимодействуя с набегающим на вентиляторный диск 1 потоком воздуха, возвращается в общий поток, перекрывая при этом часть ометаемой площади лопастей 2.

При работе предлагаемого вентилятора отброшенная центробежной силой часть воздуха проходит через кольцевую выемку 5 во внутреннем цилиндрическом канале и смешивается с уже отброшенным вентиляторным диском 1 воздухом, увеличивая его массу, а следовательно, и тягу устройства. В этом случае концы лопастей вентиляторного диска 1 действуют как центробежный компрессор, который не только отсасывает застойную зону, образующуюся возле стенки внутреннего цилиндрического канала аэродинамического кольца 4 вследствие движения воздуха вдоль радиуса лопасти 2, но и при определенных условиях способный увеличить расход воздуха через устройство, а следовательно, повысить его тягу и КПД. При этом концы лопастей, имеющие наибольшую окружную скорость, закрыты стенками кольцевой выемки 5, что существенно снижает шум в осевом направлении.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности именно в качестве подъемно-тягового устройства для самолетов вертикального и короткого взлета и посадки;
для изобретения подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных средств и методов;
средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Использование: вентиляторные силовые установки летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. Сущность изобретения: в подъемно-тяговом вентиляторе, содержащем установленные в аэродинамическом кольце лопасти. Укрепленные в центральной втулке, аэродинамическое кольцо имеет в полости вращения лопастей кольцевую выемку, плавно сопряженную с внутренней поверхностью кольца, при этом концы лопастей расположены в выемке, а их торцевая и верхняя поверхности соответственно конгруэнтны торцевой и верхней поверхности выемки. 1 ил.

ПОДЪЕМНО-ТЯГОВЫЙ ВЕНТИЛЯТОР, содержащий установленные в аэродинамическом кольце лопасти, закрепленные в центральной втулке, отличающийся тем, что аэродинамическое кольцо имеет в плоскости вращения лопастей кольцевую выемку, плавно сопряженную с внутренней поверхностью кольца, при этом концы лопастей расположены в выемке, а их торцевая и верхняя поверхности соответственно конгруэнтны торцевой и верхней поверхностям выемки.