ДИАФРАГМЕННЫЙ НАГНЕТАТЕЛЬ И ДИАФРАГМЕННЫЙ ВЕРТОЛЕТ НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 1997 года по МПК F04B43/04 B64C29/00 

Изобретение относится к области воздуходувных и газодувных машин.

Известен акустический воздушный насос (Мощные ультразвуковые поля. Сб. - М. Наука, 1968, с. 121), состоящий из электродинамического громкоговорителя, диафрагма которого входит в полость, имеющую коаксиально расположенную с выходным каналом резонансную трубу, в которую направляется воздушный поток, причем в эту же трубу происходит и подсос воздуха, для чего выходной канал снабжен дополнительным боковым отверстием. Наиболее эффективно насос работал тогда, когда акустическая система была настроена на резонанс. Настройка достигалась изменением диаметра и длины резонансной трубы. Насос питался от сети переменным током частотой 60 Гц. Производительность его при диаметре диафрагмы 100 120 мм составляла 900 л/мин.

Существенным недостатком акустического насоса является его крайне низкая производительность и незначительная разность давлений на его входе и выходе. Причем этот недостаток имеет фундаментальный характер и, следовательно, неустраним при данном техническом решении. Он проистекает из того, что принцип работы насоса основан на использовании эффекта акустических течений, возникающих под действием звуковых колебаний и резонансных явлений в рабочем канале. Течение формируется только в зоне звукового пучка выходного канала. В то же время рабочая полость постоянно связана с внешней средой через боковое отверстие насоса, через которое и будет происходить утечка воздуха. И она будет тем больше, чем больше разность давления на входе и выходе.

Известен также диафрагменный нагнетатель воздуха для перемещения газообразных сред, состоящий из корпуса, аксиально установленных в нем сильфонов, центрифугирующих механизмов и колебательных приводов (SU, авт. св. N 983305, кл. F 04 B 31/00, 1982).

Недостатком указанного нагнетателя является его низкая производительность.

Технический результат изобретения существенное повышение производительности диафрагменных насосов, увеличение разности давлений на входе и выходе, приближение их по этому показателю к центробежным компрессорным машинам, а также улучшение весовых и габаритных характеристик таким образом, чтобы существенно расширить область их применения.

Указанный технический результат достигается тем, что для ускорения воздушной или газовой сред и создания необходимой разности давлений на входе и выходе нагнетателя применяются лепестковые диафрагмы, подвешенные по периферии на сильфонных подвесах к корпусу нагнетателя, а в центре связанные с индивидуальными или групповыми силовыми колебательными приводами, например, через силовые катушки электродинамических преобразователей. Центрирующий механизм диафрагм выполняется в виде втулок и входящих в них штырей, закрепленных соответственно на корпусах диафрагм и приводов. Как подвеска диафрагм, так и центрирующий механизм не накладывают никаких ограничений на величину амплитуды смещения диафрагм. Увеличение амплитуды смещения диафрагм позволяет уменьшить частоту их колебаний и улучшить тем самым условия работы устройства.

Диафрагма состоит из жесткого недеформируемого каркаса в виде решетки с акустически согласованными с частотой колебаний диафрагмы отверстиями, причем со стороны выхода нагнетателя диафрагма имеет самодействующие обратные клапаны, выполненные, например, в виде гибко закрепленных одним краем пластинчатых лепестков, каждый из которых в прижатом состоянии перекрывает одно или несколько отверстий.

Увеличение мощности силового колебательного привода при сохранении площади его поперечного сечения обеспечивается аксиальной установкой некоторого числа приводов, например, односторонних или двухсторонних электродинамических преобразователей, выполненных в виде двух керновых цилиндрических магнитопроводов, соединенных нижними фланцами, двух катушек подмагничивания, расположенных на противолежащих кернах, и двух силовых катушек, соединенных синфазно.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленный нагнетатель отличается применением лепестковой диафрагмы, выполняющей одновременно клапанную и поршневую функции, сильфонного подвеса диафрагм, обеспечивающего любые заданные амплитуды смещения, и центрирующих штырей и втулок, также не имеющих ограничений по амплитуде, вместо гофра и центрирующей шайбы, для которых амплитуда смещения существенно ограничена.

Указанные технические решения в отличие от известных позволяют:
1. Полностью разграничить входной и выходной потоки и тем самым полностью исключить утечку нагнетаемой среды из выходного канала во входной канал на любых фазах работы нагнетательного механизма.

2. Обеспечить любую практически целесообразную амплитуду смещения диафрагмы, что недостижимо при использовании гофра и центрирующей шайбы, а также неподвижного закрепления краев диафрагмы в корпусе нагнетателя.

3. Уменьшить массу и габариты нагнетателя без снижения мощности электродинамической системы, что практически невозможно при использовании постоянных магнитов.

На фиг. 1 показан электродинамический диафрагменный нагнетатель с двумя диафрагмами и сдвоенным электродинамическим преобразователем кернового типа; на фиг. 2 электродинамический диафрагменный нагнетатель с двумя диафрагмами и двумя сдвоенными электродинамическими преобразователями кернового типа; на фиг. 3 динамика работы лепестковых диафрагм, положение диафрагм при расхождении; на фиг. 4 динамика работы лепестковых диафрагм, положение диафрагм при сближении; на фиг. 5 график пульсаций давления на выходе электродинамического диафрагменного нагнетателя с одной диафрагмой; на фиг. 6 график пульсаций давления на выходе электродинамического диафрагменного нагнетателя с двумя диафрагмами; на фиг. 7 примерный облик диафрагменного вертолета с 44 диафрагменными нагнетателями.

Электродинамический диафрагменный нагнетатель (фиг. 1 и 2) содержит корпус 1 с радиальными внутренними ребрами 2 для крепления электродинамических преобразователей, входную 3 и выходную диафрагмы, подвешенные на сильфонах 5, с лепестками 6 и отверстиями 7, входную камеру 8, переходную камеру 9, выходную камеру 10, электродинамические преобразователи с полюсными насадками 11 и верхними фланцами 12, образующими кольцевые зазоры 13, центрирующими штырями 14, кернами 15, нижними фланцами 16, магнитопроводами 17, катушками подмагничивания 18, силовыми катушками 19, расположенными в кольцевых зазорах 13 и закрепленными на стаканах 20 центрирующими втулками 21. Нагнетатель с двумя сдвоенными преобразователями не имеет принципиальных отличий и не требует дополнительных пояснений кроме одного. Силовые катушки в каждом сдвоенном преобразователе включены противофазно и образуют двухкатушечные блоки.

Электродинамический диафрагменный нагнетатель работает следующим образом.

На катушки подмагничивания 18 подается постоянный ток, а на силовые катушки 19 переменный. Катушки подмагничивания и силовые катушки (а при двух сдвоенных преобразователях блоки силовых катушек) включены синфазно, вследствие чего колебания входной 3 и выходной 4 диафрагм происходят противофазно. При расхождении диафрагм (фиг. 3) под действием собственной упругости и возникающего в переходной камере 9 пониженного давления лепестки 6 выходной диафрагмы 4 будут прижиматься к каркасу и перекрывать отверстия 7. В результате газообразная среда, находящаяся в выходной камере 10, под действием движущейся выходной диафрагмы 4 будет перемещаться в сторону выхода нагнетателя. Лепестки же входной диафрагмы 3 под действием того же пониженного давления в переходной камере 9 отойдут незакрепленной стороной от каркаса и откроют отверстия диафрагмы для прохода газовой среды из входной камеры 8 в переходную 9.

При достижении диафрагмами крайних положений на лепестки 6 будет действовать сила инерции. При остановке диафрагм в верхней мертвой точке незакрепленные стороны лепестков будут продолжать движение и в выходной диафрагме 4 откроют, а в входной 3 закроют отверстия.

При сближении диафрагм (фиг. 4) на лепестки входной диафрагмы 3 будет действовать перепад давлений между переходной камерой 9 (повышенное давление) и входной камерой 8 (пониженное давление), который создаст дополнительную силу прижима лепестков к каркасу входной диафрагмы, и теперь уже входная диафрагма 3 будет перемещать газовую среду в сторону выхода нагнетателя через открытые отверстия выходной диафрагмы 4, на которую будет действовать повышенное давление со стороны переходной камеры 9. Таким образом, на выходе двухдиафрагменного электродинамического нагнетателя будет формироваться хорошо сглаженный двухполупериодный поток, график которого показан на фиг. 6. Для сравнения на фиг. 5 показан график пульсаций давления однополупериодного потока, который будет формироваться на выходе однодиафрагменного нагнетателя.

Произведем теперь оценку силовых характеристик нагнетателя. Примем диаметр полюсной насадки равным 100 мм. Зададим высоту полюсной насадки 10 мм и радиальную ширину кольцевого зазора между насадкой и верхним фланцем 3 мм. Определим площадь кольцевого зазора S₃ по средней линии и из нее найдем диаметр керна . Все другие размеры элементов магнитной цепи электродинамического привода определим, исходя из равенства площадей всех ее поперечных сечений площади S₃. В качестве материала для магнитной цепи выберем карбонильное железо, магнитная индукция которого при напряженности магнитного поля 75 А/м составляет 2,03 В-с/м². Расчет показывает, что общая мощность одностороннего электродинамического привода в этом случае составит 2138 Вт.

Из аэродинамики известно, что сопротивление пластинки равно, кг:

где С коэффициент, зависящий от соотношения сторон пластинки и ее формы;
ω площадь пластинки;
r плотность воздуха;
V скорость пластинки.

Но сила сопротивления пластинки есть электродинамическая сила, с которой силовая катушка действует на диафрагму. Форму диафрагмы определим как квадратную плоскость, для которой С 1,15. Площадь диафрагмы для простоты дальнейших расчетов определим 1 м². Из (1) следует, что скорость пластинки-диафрагмы, м/с:

Известно (Брамвелл А.Р.С. Динамика вертолетов. М. Машиностроение, 1982, с. 76 80), что при p 1,22 (на уровне моря)

где P_уд удельное давление (нагрузка) на ометаемую несущим винтом площадь, н/м².

Подставляя значения переменных в (2) и (3), получим скорость потока, равную 10,78 м/с и величину давления P 284 н/м², развиваемого диафрагмой площадью 1 м² при действии на нее электродинамической силы, равной 81,5 кг.

Энергия электромеханических преобразователей реализуется через колебания диафрагмы, формирует однонаправленный воздушный поток, скоростные характеристики которого согласно (2) в точности соответствуют величине электродинамической силы. Следовательно, частота колебаний диафрагмы равна отношению скорости потока к величине амплитуды смещения диафрагмы. Для электродинамических нагнетателей с двумя диафрагмами величина смещения диафрагмы естественно удваивается, что приводит к уменьшению вдвое частоты колебаний диафрагм.

Изобретение диафрагменный вертолет относится к области летательных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой.

В качестве самолетов с нормальным положением фюзеляжа при вертикальном взлете и посадке известен самолет SCI фирмы "ШОРТ", который имеет четыре двигателя, установленных в нижней части фюзеляжа, для создания вертикальной тяги и еще двигатель в качестве маршевого двигателя для создания горизонтальной тяги (Хафер К. Закс Г. Техника вертикального взлета и посадки.-М. Мир, 1985, с. 28).

Известное техническое решение имеет следующие отличительные признаки:
1. Вертикальная тяга создается за счет газовой струи, возникающей в результате сгорания топлива в двигателях, а не в результате отбрасывания воздуха нагнетателями вертолета. Захват вентиляторами двигателя воздуха, необходимого для сгорания топлива, не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на величину вертикальной тяги.

2. Двигатели вертикальной тяги не участвуют в создании горизонтальной тяги и в горизонтальном полете представляют собой не более чем балласт.

3. Двигатели расположены в фюзеляже и не образуют, строго говоря, несущей плоскости.

4. Горячие газы двигателей рециркулируют от земной поверхности, что представляет опасность для самолета особенно при использовании двигателей с форсажными камерами. Требуется применение особых мер для нейтрализации высокотемпературных газовых потоков.

5. Характер создания вертикальной тяги сближает известное устройство скорее с ракетными комплексами, нежели с вертолетами.

Техническим результатом изобретения является создание грузопассажирских воздушно-транспортных средств, в частности с автомобильными габаритами, для использования в сельском хозяйстве, для оперативной связи, в поисково-спасательной службе, при транспортировке больных и оказании медицинской помощи в труднодоступных местах или в условиях сезонного бездорожья, в качестве штатных транспортных средств в геологических партиях, в качестве личных "автолетов" для деловых поездок и туризма, воздушных такси и других подобных задач. В настоящее время этот класс летательных аппаратов практически пуст.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что подъемная и пропульсивная силы создаются несущей плоскостью, состоящей из жесткого опорного каркаса, выполненного в виде решетки, в ячейках которой расположены диафрагменные нагнетатели, причем для управления полетом все или некоторые нагнетатели имеют необходимое число степеней свободы. На фиг. 7 представлен возможный облик диафрагменного вертолета. Он состоит из несущей плоскости 1 с обтекателем 2, образованной в данном случае 44 диафрагменными нагнетателями 3 грузопассажирской кабины 4, силовой установки 5, киля 6 как стабилизатора прямолинейного движения и руля поворота 7. Оценим подъемную силу диафрагменного вертолета.

Подъемная сила вертолета обеспечивается тем, что несущий винт отбрасывает воздух вниз, отчего в плоскости винта возникает скачек давления, величина которого и определяет силу тяги несущего винта. Приращение скорости воздушного потока называют индуктивной скоростью. На это приращение скорости затрачивается примерно 60% мощности силовой установки (Брамвелл А.Р.С. Динамика вертолетов. М. Машиностроение, 1982, с. 76 80). Остальные 40% мощности идут на преодоление профильного сопротивления лопастей, на обеспечение рулевого винта, на потери в трансмиссии.

В диафрагменном вертолете отбрасывание воздушного потока производится диафрагменными нагнетателями, поэтому структура потерь мощности имеет другой характер. Двух последних видов потерь в нем нет. Непосредственно потерь на профильное сопротивление лопастей в нем также нет, но существует некоторый его аэродинамический эквивалент в виде лобового сопротивления каркаса диафрагмы, неполностью открытых лепестков и поперечного сечения электродинамического преобразователя. Это сопротивление можно оценить по приведенной формуле (1). Если площадь одного квадратного отверстия каркаса равна 10² мм², а толщина стенок отверстий 1 мм, то общая площадь поперечного сечения ребер каркаса диафрагмы и преобразователя составит 0,03 м². Сопротивление лепестков в открытом положении в большей степени зависит от их конструктивных особенностей и требует, конечно, экспериментальной оценки. Здесь же можно учесть его путем удвоения величины площади поперечного сечения диафрагмы и преобразователя. Таким образом, лобовая площадь диафрагмы, порождающая аэродинамические потери, составит 0,06 м². Подставляя в (1) значения лобовой площади диафрагмы (0,06 м²) и скорости потока, определим аэродинамическое потери и найдем индуктивную электродинамическую силу, а из (2) и (3) удельное давление (нагрузку) на несущую площадь, составляющую 1 м², которая и определяет подъемную силу всех трех типов нагнетателей. Найденные значения подъемной силы составляют 270 н, 530 н и 1070 н для нагнетателей типа ДП, 2ДП2 и 2Д4П соответственно. Следовательно, подъемная сила диафрагменного вертолета, представленного на фиг. 7, будет равна 1180, 23320 и 47080 н в зависимости от типа примененного нагнетателя.

Использование: в области воздуходувных и газодувных машин и в области летательных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой. Сущность изобретения: диафрагменный нагнетатель содержит корпус с радиальными ребрами, закрепленные на них силовые колебательные приводы и связанные с ними одну или две лепестковые диафрагмы, выполняющие одновременно клапанную и поршневую функции. В состав заявляемой группы изобретений в качестве силового колебательного привода входит электродинамический преобразователь, выполненный в виде двух керновых цилиндрических магнитопроводов, соединенных нижними фланцами, двух катушек подмагничивания, расположенных на противолежащих кернах, и двух силовых катушек, соединенных синфазно. Диафрагменный вертолет является представителем нового класса грузопассажирских воздушно-транспортных средств, в частности с автомобильными габаритами, в которых подъемная сила создается диафрагменными нагнетателями, расположенными в ячейках опорной решетки несущей плоскости, причем для создания пропульсивной силы и управления аппаратом все или некоторые нагнетатели имеют необходимое число степеней свободы. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Диафрагменный нагнетатель для перемещения газообразных сред, состоящий из корпуса, аксиально установленных в нем сильфонов, центрирующих механизмов, колебательных приводов, отличающийся тем, что он снабжен лепестковыми диафрагмами, подвешенными по периферии на сильфонах к корпусу нагнетателя, а в центре связанными с индивидуальными или групповыми силовыми колебательными приводами, при этом центрирующий механизм выполнен в виде, например, втулок и входящих в них штырей, закрепленных на корпусах диафрагм и приводов. 2. Нагнетатель по п.1, отличающийся тем, что диафрагма состоит из жесткого недеформируемого каркаса в виде решетки, подвешенного по периферии на сильфонах к корпусу нагнетателя, а в центре связанного с колебательным приводом, например, через силовую катушку электродинамического преобразователя, и центрирующих втулок и штырей, причем со стороны выхода нагнетателя диафрагма имеет самодействующие обратные клапаны, выполненные, например, в виде гибко закрепленных одним краем пластинчатых лепестков, каждый из которых в прижатом состоянии перекрывает одно или несколько отверстий решетки. 3. Нагнетатель по п.1, отличающийся тем, что электродинамический преобразователь выполнен в виде двух керновых цилиндрических магнитопроводов, соединенных нижними фланцами, двух катушек подмагничивания, расположенных на противолежащих кернах, и двух силовых катушек, соединенных синфазно. 4. Диафрагменный вертолет, содержащий несущую плоскость, силовую установку, грузопассажирскую кабину и систему управления, отличающийся тем, что несущая плоскость состоит из жесткого опорного каркаса, выполненного в виде решетки, в ячейках которой расположены диафрагменные нагнетатели, причем для создания пропульсивной силы и управления диафрагменным вертолетом все или некоторые нагнетатели имеют необходимое число степеней свободы.