BG113193A - Устройство за създаване на подемна и теглителна сила, на принципа на симетричното обтичане на махаща пластина във въздушен поток, при летателните апарати с вертикално излитане и кацане и за генериране на електрическа мощност при вятърните и водни генератори - Google Patents

Abstract

Устройството намира приложение в авиацията и при генерирането на електрическа мощност от ветро и водогенераторите. Позволява създаването на подемна и теглителна сила на принципа на симетричното обтичане на махаща пластина във въздушен поток. Състои се от два въртящи се в противоположни посоки ротори (3), шарнирно монтирани на трапецовидна рама (2) или въртящи се около вертикална мачта (11), които са оборудвани с две до шест въртящи се от автомати за развъртане (7) махащи пластини (5), които в определени сектори от окръжността АОВ и COD с ъгъл от 120 градуса, се завъртат перпендикулярно на въздушния поток, създавайки максимално челно съпротивление Q, респективно пълна аеродинамична сила R, равна на подемната сила Y. При ветро и водо генераторите, челното съпротивление Q, което оказват перпендикулярно обърнатите махащи пластини (5), в секторите АОВ и COD на флуида, води до развъртането на роторите (3), които посредством вала (12), завъртат електрически генератор (13).

Description

Наименование

Устройство за създаване на подемна и теглителна сила, на принципа на симетричното обтичане на махаща пластина във въздушен поток, при летателните апарати с вертикално излитане и кацане и за генериране на електрическа мощност при вятърните и водни генератори.

Област на техниката

Устройството намира приложение в авиацията при летателните апарати с вертикално излитане и кацане. Устройството е обратимо и може да намери приложение за генериране на електрическа мощност при вятърните и водни генератори.

Предшестващо състояние на техниката

Летателните апарати с вертикално излитане и кацане /вертолети и автожири / се задвижват от ротори снабдени с две или повече лопати, работещи и създаващи подемна сила на принципа на несиметричното обтичане.

Известни са летателни апарати, при които създаването на подемна сила при вертикално излитане и кацане, се постига посредством турбореактивна тяга или тяга създавана от въздушни вентилатори /F-35/. При тези летателни апарати, подемната сила също се създава на принципа на несиметричното обтичане.

Конструирани са летателни апарати с вертикално излитане и кацане с накланящи се ротори, които също така създават подемна сила на принципа на несиметричното обтичане /V-22 Osprey; V-280 Valor/.

Издаден е патент за устройство за едновременно създаване на подемна и теглителна сила „РОТОРЛЕТ“, с номер BG 50086А от Институт за изобретения и рационализации.

Разработват се устройства за вертикално излитане и кацане „Сусю tech”; “D-dalus”; “Cyclo-car”, при които подемната и теглителна сила се създава от въртящи се ротори с шарнирно монтирани на тях плоскости, които чрез промяна на ъгъла на атака, създават подемна и теглителна сила на принципа на симетричното обтичане. Недостатък на тези устройства е малкият радиус на роторите, което налага работа на големи обороти, което изисква голяма необходима мощност.

Многократно са правени опити за построяване на орнитоптери-апарати по-тежки от въздуха имитиращи полета с махащо крило както при птиците и насекомите, но без особен успех поради действието на физическят закон за мащабирането или закон за квадрата на куба, установен още от Галилео Галилей. Съществуват създадени махолети от Александър Липиш 1929 г.

-2Германия, Емил Хартман 1959 г. Англия, първият пълномащабен, задвижван от двигател махолет на Харис/Делауер 1991-2005 г., постигнал скорост на отлепяне при самостоятелно засилване. Построен е, също така, махолет ’’Snowbird”, задвижван от мускулна сила на човек. Първоначално теглен от автомобил, след което прелетял 145 м.

При ветрогенераторите са известни много схеми, но най-използуваната в практиката е пропелер с три лопати с голямо удължение, монтиран заедно с генератора на висока кула, въртящ се около хоризонтална ос на въртене. Съществуват и ветрогенератори с вртикална ос на въртене. Ветро и водогенераторите са източник на възобновяема енергия и значението им ще се повишава в бъдеще.

Техническа същност

В областта на авиацията създаването на подемна сила Y, пълна аеродинамична сила R и челно съпротивление Q се основава на два принципа: Несиметрично и симетрично обтичане на твърдо тяло във въздушен поток.

Несиметрично обтичане имаме тогава, когато оста на симетрия на тялото е под ъгъл спрямо въздушния поток или когато самото тяло има несиметрична форма. Фиг.1.

На принципа на несиметричното обтичане работят и създават подемна сила самолетното крило, въздушният винт /витло/, както и роторите на въртолетите и автожирите. Развтието на съвременната авиационна наука и аеродинамика е основано изцяло на този принцип за създаване на подемна сила Y. При този принцип пълната аеродинамична сила R се разлага на подемна сила Y и челно съпротивление Q. Като цяло, челното съпротивление е изключително вредно явление /сила/ при този вид обтичане и стремежът винаги е бил, то да бъде ограничавано до минимум.

Симетрично обтичане е възможно само в случаите, когато едно тяло има симетрична форма и неговата ос на симетрия е паралелна на въздушния поток. Фиг.2.

При симетрично обтичане на тялото, пълната аеродинамична сила R е насочена в посока, обратна на посоката на движението и е равна на челното съпротивление Q, тоест R=Q. На принципа на симетричното обтичане работят махащите крила на насекомите и крилата при птиците на определен етап от полета. По настоящем в авиацията, симетричното обтичане се използува главно за създаване на челно съпротивление Q, посредством въздушни спирачки, интерцептори и спирачни парашути.

Устройството за създаване на подемна сила на принципа на симетричното обтичане на махаща пластина във въздушен поток е обратимо и позволява ползуването му в Cd copter-летатен апарат за вертикално излитане и кацане, и Cd generator- генератор на електрическа

-3мощност. Тези две устройства дават възможност за използуването на пълното челно съпротивление Q, равно на пълната аеродинамична сила R. За удобство, се създава понятието „махаща пластина” за лопатите на роторите на устройството използувано в летателния апарат и при вятърния или воден генератор: Лопата, която създава подемна сила аналогично на махащото крило, но която не извършва циклични движения, а която се върти постоянно в окръжност, като се завърта на 90° около своята ос перпендикулярно на въздушния поток в определен сектор от окръжността с ъгъл 120°, а в останалия сектор от окръжността с ъгъл 240°, се върти под ъгъл на атака 0°, създавайки минимално челно съпротивление.

Когато едно тяло като махащото крило извършва циклични движения, възникват силни инерционни моменти първоначално при засилване, след това при спиране и връщането му в обратна посока. Според закона за квадрата на куба, с пропорционалното увеличение на линейния размер, площта на повърхностите се увеличава на втора степен, теглото на трета степен, а инерционните моменти на пета степен. С увеличение размера на крилото при неговите махащи движения, инерционните моменти нарастват толкова бързо, че загубата на мощност става неоправдано голяма.

Задачата на изобретението е, да се избегне възникването на инерционните моменти при махащото крило.

Задачата е решена чрез устройство за създаване на подемна и теглителна сила на принципа на симетричното обтичане и използването в него на комбинация от противоположно въртящи се ротори и махащи пластини, което позволява действието на този закон да се избегне, като:

Устройството, използувано в летателния апарат, позволява да се избегне действието на инерционните моменти при махащото крило.

Устройството използувано в летателния апарат, позволява също така и оползотворяването на жироскопичните сили Fnp и моменти Мв, които се появяват и действуват в едно и също направление и посока с аеродинамичните сили и моменти. Те не са вредни, а напротив, водят до допълнително увеличаване на маневрените възможности и храктеристики на летателния апарат.

При използуване на устройството, конструкцията на летателния апарат е опростена и олекотена поради липсата на крила, стабилизатори, аеродинамични органи за управление и системи за задвижването им. Управлението се осъществява посредством промяна посоката на векторите на аеродинамичните и жироскопчни сили и моменти. Тази промяна на посоката на тези вектори се постига чрез създаване наклон на роторите едновременно или по отделно в различни посоки.

Устройството, използувано в летателния апарат, позволява подобряване шумовите характеристики при излитане и кацане и по време на полет, в следствие на ниските обороти на въртене на роторите.

-4Компановката на летателния апарат използуващ устройството, позволява достигане на по-високи скорости при установен хоризонтален полет, в сравнение с въртолетите и автожирите.

Устройството, използувано в летателния апарат, позволява комбинираната работа и действие на симетричното и несиметричното обтичане, използувайки едновременно предимствата и на двата метода за създаване на подемна сила.

Конструираният на този принцип ветрогенератор се самоориентира по посоката на вятъра, като отпада необходимостта от добавяне на скъпи, следящи посоката изпълнителни системи.

Малката ометаема площ и височина на ветрогенератора, не пречат и не вредят на прелетните птици.

Ветрогнераторът позволява добавяне на двойки ротори една над друга до изграждане на колона във височина.

Описание на приложените фигури

Фиг.1. Несиметрично обтичане.

Фиг.2. Симетрично обтичане.

Фиг.З. Схема на устройството за създаване на подемна и теглителна сила, на принципа на симетричното обтичане на махаща пластина във въздушен поток Cd copter.

Фиг.4. Схема на аеродинамичните сили и моменти.

Фиг.5. Схема на жироскопичните сили и моменти.

Фиг.6. Схема на силите при вертикално излитане и при преминаване в хоризонтален полет.

Фиг.7. Схема на генератора на електрическа мощност, на принципа на симетричното обтичане на махаща пластина във въздушен поток Cd generator.

Фиг.8. Буквени обозначения, използувани за пояснение на сили и моменти.

Фиг.9. Схема на устройсвото за създаване на подемна и теглителна сила на принципа на симетричното обтичане на махаща пластина във въздушен поток Cd copter, предназначена за реферата.

Примери за изпълнение

Cd generator-генератор, ползуващ устройството за генериране на електрическа мощност на принципа на симетричното обтичане на махаща пластина във въздушен поток, е показан на Фиг. 7. Състои се от набор от две или повече двойки ротори 3, монтирани на вертикално изправена на фундамент 10, мачта 11, които се въртят от вятъра в противоположни

-5посоки, предавайки вътящото си движение на вал 12, който задвижва правотоков или променливотоков генератор 13. Роторите 3. са оборудвани с по две до шест лопати/ махащи пластини/ 5, завъртащи се в секторите с ъгли АОВ и COD равни на 120° от автомат за равъртане махащите пластини 7. Монтирането на повече двойки ротори, позволява генерирането на по-голяма мощност.

Устройството се самоориентира по посоката на вятъра, като не се налага добавянето на скъпи следящи посоката на вятъра изпълнителни ситеми.

Cd copter-летателен апарат, или устройството за създаване на подемна и теглителна сила на принципа на симетричното обтичане на махаща пластина във въздушен поток, е показано на Фиг. 3. Състои се от тяло, служещо за монтиране на захранващ източник/ батерии/ и платформа със седалка на пилота 1, опашна греда 8, трапецовидна рама 2 и от два ротора 3, монтирани шарнирно на трапецовидната рама 2. Роторите се задвижват от силова установка / електродвигатели/ 4 и се въртят в противоположни посоки с оси на вътене успоредни на надлъжната ос на летателния апарат. Роторите се състоят се от две до шест радиално разположени лопати /махащи пластини/ 5. Махащите пластини 5 се завъртат в секторите с ъгли АОВ и COD равни на 120° от автомат за развъртане махащите пластини 7, монтиран в главината на всеки от въртящите се ротори. В задната част, на опашната греда успоредна на надлъжната ос на летателния апарат 8, е монтирано опашно витло 9, което осигурява устойчивостта и управляемостта около напречната ос на летателния апарат. При използуване на двигател с вътрешно горене за силова установка, е необходимо да се използуват хидропомпа и хидромотори, включени в обща хидросистема.

Монтираната на возна система 6, позволява излитане по самолетному.

Cd copter

Начин на работа и създаване на подемна и теглителна сила На етап вертикално излитане и кацане

При вертикално излитане и кацане устройството работи и създава подемна сила изцяло на принципа на симетричното обтичане. Фиг. 4. а, Ь; Фиг. 5. а, Ь; Фиг. 6. а. В този режим на работа в секторите АОВ и COD махащите пластини се ориентират и се движат перпендикулярно на въздушния поток, създавайки максимална подемна сила /челно съпротивление/, тъй като Q=R=Y. В останалата част от окръжността, махащите пластини се завъртат на ъгъл 90° и застават под минимален ъгъл на атака £ в плоскостта на въртене, създавайки минимално челно съпротивелние. Точно при този режим на работа напълно се проявява предимството на симетричното обтичане, при което по друг начин казано,

-6няма челно съпротивление, а само пълна аеродинамична сила, която е и подемна сила.

На етап зависване

Самите ротори 3 са закрепени шарнирно в двата края на рамата 2 и се накланят около напречната ос Z на летателния апарат. Шарнирите им позволяват да се накланят напред или назад по посоката на движение на устройството, завъртайки се около оста Z едновременно или по отделно.

Когато се накланят едновременно се създава подемна и теглителна сила напред по посоката на движение или назад. Фиг. 4. Ь. с. Когато роторите се накланят напред или назад по отделно, се създават въртящи моменти Фиг. 4. d. е, променящи посоката на движение в ляво или вдясно, тъй като теглителните сили Р са с разлчни посоки.

При въртенето на роторите около своите оси и накланянето им едновременно или по отделно, се създават резултантни сили Fnp и силни жироскопични моменти Мпр, които са напълно тъждествени с аероднамичните моменти и сили. Фиг. 5.

Страничното преместване в ляво или в дясно, може да се постигне с повишаване/ намаляване оборотите, съответно подемната сила на десен или ляв ротор.

На етап преминаване от зависване към хоризонтален полет

На Фиг. 6. а, са показани силите действащи при вертикално излитане и на Фиг. 6. Ь, при премнаването в хоризонтален полет, където в сектора COD на ротора 3, махащите пластини 5 създават теглителна сила Р на принципа на симетричното обтичане, а в останалата част от окръжността, в сектора DOC на ротора 3, работят и създават подемна сила Y на принципа на несиметричното обтичане. На този етап главно си проличават предимствата на устройството - комбинирано действие и работа на симетричното и несиметричното обтичане, и едновременно с това използуването на полезни жироскопични сили и моменти.

В хоризонтален полет накланянето на роторите в различни посоки води до поява на въртящ момент накланящ устройството около адлъжната му ос. Фиг. 4. е; Фиг. 5. е.

Автомат за развъртане на махащите пластини Начин на работа

Автоматът за развъртане на махащите пластини 7 преобразува въртеливото движение в постъпателно циклично движение, на ъгли различни от цикъла 0^-180°. В дадения случай автоматът преобразува въртеливото движение в постъпателно циклично с цикъл 30°-Ч50°, в сектори АОВ и COD с ъгъл 120°.

Claims (1)

1. Обратимо устройство създаващо подемна и теглителна сила при летателния апарат Cd copter и генериращо електрическа мощност при вятърни и водни генератори Cd generator, състоящо се от трапецовидна рама (2), с монтирани шарнирно в краищата й два ротора въртящи се в противоположни посоки (3) или вертикална мачта(11) с въртящи се на нея също в противоположни посоки ротори (3), оборудвани с две до шест лопати /махащи пластини/ (5), които се развъртат от автомат за развъртане (7) в секторите с ъгъл от 120° АОВ и COD на 90° спрямо въздушния поток, създавайки максимално челно съпротивление Q, респективно пълна аеродинамична сила R, равна на подемна сила Y, а в останалия сектор от 240° от окръжността се завъртат под 0° спрямо въздушния поток, като оказват минимално челно съпротивление, характеризиращо се с това, че създава подемна и теглителна сила и генерира електрическа мощност на принципа на симетричното обтичане на махаща пластина във въздушен поток и с това, че вследствие постоянното въртене на роторите (3) се избягват инерционните моменти при махащото крило.