Область техники

Изобретение относится к воздушному, водному транспорту и к энер- гетике (ветряные и гидроэнергетические установки) в частности, к крыльча- тым движителям - циклоидным пропеллерам, работающим как в воздушной, так и водной средах.

Циклоидный пропеллер состоит из лопастей расположенных по диа- метру, вращающихся вокруг оси ротора, создавая направленное движение. Для того чтобы создавать движение необходимо изменять углы наклона от- дельных лопастей с помощью механизма управления шагом лопастей. Суще- ствует три типа циклоидного движения, из них два представляют наиболь- ший практический интерес: движение по укороченной циклоиде (curtate) и движение по удлиненной циклоиде (prolate). При движении по укороченной циклоиде (curtate) лопасти совершают периодические колебательные движе- ния вокруг своей оси, обеспечивая высокую тягу при низкой скорости посту- нательного движения, что подтверждает опыт эксплуатации широко извест- ных циклоидных пропеллеров Войт-Шнайдера. При движении по удлинен- ной циклоиде (prolate) лопасти совершают круговое вращение вокруг собст- венной оси, обеспечивая высокую скорость передвижения. В то же время ре- жим движения по удлиненной циклоиде (prolate) имеет низкую тягу при на- чальной скорости передвижения, вследствие обратного кругового движения лопастей на половине орбиты ротора, относительно направления движения.

Принимая так же во внимание то, что траектория концов крыльев птиц в полете описывает эллипс, в режиме удлиненной циклоиды, то разра- ботка и внедрение циклоидного пропеллера, который может работать в ре- жиме удлиненной циклоиды и лопасти которого движутся по траектории эл- липса, позволит обеспечить высокую тягу, увеличить скорость движения и расширить диапазон возможностей транспортных средств транспортных средств и устройств с циклоидным пропеллером.

Предшествующий уровень техники

Из предшествующего уровня техники известен ряд крыльчатых дви- жителей - циклоидных пропеллеров, в частности, циклоидный пропеллер (Propeller for Aircraft), запатентованный Кирстеном и Гувером (Kurt F.J. KIRSTEN & Herbert M. HEUVER) (Патент US J S2045233, B64C 1 1/00, 23.06.1936). Механизм изменения шага лопастей включает связанные между собой механизм изменения шага циклоидного пропеллера, создающий дви- жение по укороченной (curtate) и представляющий собой кривошипно- кулисовый механизм и набор планетарных и дифференциальных механизмов, количество которых соответствует количеству лопастей. Данный механизм содержит размещённую в ступице ротора центральную шестерню, жестко за- крепленную на оси ротора, входящую в зацепление с сателлитной шестерней, которая свободно закреплена на оси углового редуктора, содержащего две конические шестерни. Вторым ярусом на оси углового редуктора располага- ется дифференциал, состоящий из конических шестерен. На центральном ва- лу, устройства изменения эксцентриситета и направления вектора тяги сво- бодно закреплена кулиса, на которой расположен кулисный камень, свободно закрепленный третьим ярусом на оси углового редуктора. Ось углового ре- дуктора через промежуточный вал кинематически связана с угловым редук- тором вала лопасти циклоидного пропеллера. Вращение ступицы ротора приводит к вращению сателлитных шестерен и к колебательным движениям кулисного камня, а дифференциал суммирует равномерное вращение сател- лита и колебательные движения кулисного камня в неравномерное вращение, передаваемое через ось углового редуктора угловому редуктору вала лопасти.

Недостатком данного механизма является недостаточная тяга при низкой скорости движения транспортного средства. Так же представляет оп- ределенные трудности реализация эксцентрикового устройства, изменяюще- го свое положение относительно оси ступицы ротора и требующего доста- точного пространства внутри ступицы ротора

Известен также циклоидный пропеллер (Cycloidal VTOL UAV) (Па- тент US JY«6932296, В64С 27/22, 23.08.2005), запатентованный Гленом Мар- тином Тирнеем (Glenn Martin Tierney), который представляет собой плане- тарный механизм и состоит из лопастей расположенных по диаметру ступи- цы ротора, причем вал каждой лопасти кинематически связан посредством двух угловых редукторов и вала между ними, наружной сателлитной и пара- зитной сателлитной шестернями с центральной шестерней, жестко закреп- ленной на центральном валу, который выполняет функцию эксцентрика. Данный циклоидный пропеллер, как заявлено, работает в двух режимах цик- лоидного движения: за счет вращения центральной шестерни - в режиме уко- роченной циклоиды (curtate) со скоростью вращения ступицы ротора и не- подвижной центральной шестерни - в режиме удлиненной циклоиды (prolate). Недостатком данного механизма является невозможность переклю- чения с одного режима в другой во время вращения ротора крыльчатого движителя, так как для переключения режимов требуется остановка ротора. Кроме того, вызывает сомнение возможность реализации мгновенной оста- новки или мгновенного набора скорости вращения центральной шестерни до скорости вращения ступицы ротора. Представляет определенные трудности реализация эксцентрикового механизма, изменяющего свое положение отно- сительно оси ступицы ротора и требующего достаточного пространства внутри ступицы ротора

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является Морской движитель с вертикальной осью и поперечным расположением от- носительно направления потока, с постоянной управляемой ориентацией ло- пастей (Патент US 6244919, В63Н1/10, 2001), который состоит из ротора соз- дающего вращение вокруг собственной оси от вала двигателя и устройства изменения шага состоящего из импульсных электродвигателей. На роторе расположено множество лопастей, при этом на оси ротора соосно друг с дру- гом расположены шпиндели, имеющие независимую кинематическую связь с лопастями внутри корпуса ротора и независимое вращательное соединение с приводами устройства изменения шага, снаружи корпуса ротора. Количество шпинделей и приводов соответствует количеству отдельных лопастей

Данный механизм имеет значительное преимущество по регулирова- нию в режиме движения по удлиненной (prolate) циклоиде, но при этом не- достатком данного механизма является недостаточная тяга при низкой ско- рости движения транспортного средства.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, яв- ляется создание ротора двойного вращения для циклоидного пропеллера, ко- торый обеспечивает движение лопасти по траектории эллипса.

Технический результат заключается в разработке и создании ротора двойного вращения для циклоидного пропеллера, который обеспечивает движение лопасти по траектории эллипса.

Указанный технический результат в предлагаемом роторе двойного вращения для циклоидного пропеллера, содержащем главный ротор, вра- щающийся вокруг собственной оси и имеющий кинематическую связь с при- водным валом, согласно изобретению дополнительно введены расположен- ные по окружности главного ротора вращающиеся второстепенные роторы, по окружностям которых расположено по одному месту для крепления пово- ротных на своих осях лопастей, при этом второстепенные роторы имеют ки- нематическое соединение с приводным валом, обеспечивающее общее пере- даточное отношение главного ротора к второстепенным равное минус 1/2, кроме этого на осях второстепенных роторов расположены вращающиеся промежуточные валы, а радиус расположения мест для крепления лопастей, относительно оси второстепенного ротора, меньше радиуса расположения осей второстепенных роторов относительно оси главного ротора.

Кинематическое соединение второстепенных роторов с приводным валом, выполняется через шестеренчатые передачи, а именно, на располо- женном на оси главного ротора центральном валу жестко закреплена цен- тральная шестерня, входящая в зацепление с шестернями, закрепленными на ступицах второстепенных роторов через паразитные шестерни.

По обеим сторонам ступицы второстепенных роторов на промежу- точных валах жестко закреплено по одному зубчатому колесу.

Центральном вал со стороны привода ступицы главного ротора жестко за- креплен на червячном приводе с сервоприводом управления вектора тяги.

Введение в ротор циклоидного пропеллера второстепенных роторов привело к появлению возможности движения лопастей по траектории эллипса.

Рассмотрим в качестве примера применение ротора двойного враще- ния в двухлопастном циклоидном пропеллере, создающем движение лопа- стей по траектории эллипса в режиме удлиненной циклоиды (prolate), с внешним расположением устройства изменения шага, относительно ротора.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания сущность предлагаемого технического ре- шения поясняется с привлечением графических материалов, где на фиг.1 изображена кинематическая схема двухлопастного циклоидного пропеллера с ротором двойного вращения. На фиг.2- показана схема перемещения лопа- стей циклоидного пропеллера с ротором двойного вращения, создающего движение лопастей по траектории эллипса в режиме удлиненной циклоиды (prolate).

Лучший вариант осуществления изобретения

Циклоидный пропеллер с ротором двойного вращения, лопасти кото- рого движутся по траектории эллипса в режиме удлиненной (prolate) циклои- ды (фиг. 1) состоит из главного ротора 1, включающего второстепенные ро- торы 2, устройства изменения шага 3 лопастей и самих лопастей 4, располо- женных по окружностям второстепенных роторов.

Второстепенные роторы 2 размещены по радиусу главного ротора 1 и имеют возможность вращения. Каждый второстепенный ротор 2 содержит одну лопасть 4. На валу 5 лопасти жестко закреплено зубчатое колесо 6, ко- ^' торое посредством зубчатого ремня 7 соединено с зубчатым колесом 8, жест- ко закрепленном на промежуточном валу 9 второстепенного ротора 2.

На центральном валу 10 главного ротора 1 жестко закреплена цен- тральная шестерня 11, входящая в зацепление с шестернями 12, закреплен- ными на ступицах второстепенных роторов 2 через паразитные шестерни 13.

На оси главного ротора 1 соосно друг с другом расположены шпинде- ли 14. Шпиндели 14 разграничены между собой, центральным валом 10 и ступицей ротора 1 подшипниками, на шпинделях 14 жестко закреплены зуб- чатые колеса 15, на промежуточных валах 9 так же жестко закреплены зубча- тые колеса 16, соединяемые со шпинделями 14 через зубчатые ремни 17. Снаружи корпуса главного ротора 1 на шпинделях 14 жестко закреплены зубчатые колеса 18 входящие в зацепление с зубчатыми колесами 19 устрой- ства изменения шага 3, закрепленными на валах 20 приводов посредством зубчатых ремней 21. Количество шпинделей 14 и валов 20 приводов соответ- ствует количеству отдельных лопастей 4. Устройство изменения шага лопа- стей циклоидного пропеллера 3, состоящее из импульсных электродвигате- лей, закреплено на станине.

Все ременные передачи могут быть заменены на цепные, шестеренча- тые или кривошипно-шатунные передачи.

Центральный вал 10 со стороны привода ступицы главного ротора 1 жестко закреплен на червячном приводе с сервоприводом 22 для управления вектором тяги. Ступица главного ротора 1 имеет кинематическое соединение от приводного вала двигателя 23 через шестерни 24 и 25.

Циклоидный пропеллер с ротором двойного вращения, обеспечивает движение лопасти по траектории эллипса в режиме удлиненной циклоиды (prolate) следующим образом.

Вращение главного ротора 1 против часовой стрелки от приводного вала двигателя 23 приводит к вращению второстепенных роторов 2 посред- ством шестеренчатого соединения с центральной шестерней 11, паразитной шестерни 13, и шестерни 12 с общим передаточным отношением К = -1/2. т.е. за один оборот главного ротора 1 второстепенный ротор 2 совершает два оборота вокруг своей оси по часовой стрелки, в направлении, противополож- ном вращению главного ротора 1, что обеспечивает движение лопастей 4 по траектории эллипса (фиг. 2). Геометрические параметры эллипса определя- ются соотношением радиусов главного 1 и второстепенных роторов 2, при этом радиус вращения лопастей 4 относительно оси второстепенного ротора 2, меньше радиуса вращения второстепенных роторов 2 относительно оси главного ротора 1.

Колебательные движения валов 20 устройства изменения шага 3, со- стоящего из программно управляемых импульсных электродвигателей, пере- даются валу 5 лопасти 4 через ременную передачу 21, шпиндели 14, ремен- ную передачу 17, промежуточный вал 9 второстепенного ротора 3 и ремен- ную передачу 7.

Изменение направления вектора тяги выполняет устройство измене- ния шага 3 а также сервопривод 22, путем поворота центрального вала 10 внутри оси ступицы главного ротора 1 , при этом сервопривод 22 выполняет синхронный поворот только 1/2 угла поворота изменения вектора тяги устрой- ства изменения шага 3.

Совместное вращение главного ротора 1 и второстепенных роторов 2 от приводного вала двигателя 23, а так же лопастей 4 от устройства измене- ния шага 3, обеспечивает движение лопастей 4 циклоидного пропеллера в режиме удлиненной циклоиды (prolate) по траектории эллипса (фиг.2).

Место расположения устройства изменения шага не ограничивается только внешним его положением относительно главного ротора. Его воз- можно монтировать и внутри главного ротора, так же возможно полностью механическое исполнение устройства изменения шага, в том числе, создаю- щего движение лопастей по укороченной циклоиде (curtate).

Промышленная применимость

Широко известные движители Войт-Шнайдера, используемые на мор- ских судах имеют хорошую тягу и маневренность, но ограничены по скоро- сти передвижения, т.к. имеют режим движения по укороченной циклоиде (curtate). Применение на водном транспорте предлагаемого в настоящем изо- бретении ротора двойного вращения для циклоидного пропеллера, который может работать в режиме удлиненной циклоиды, и лопасти которого движут- ся по траектории эллипса, позволит обеспечить высокую тягу, увеличить скорость движения и расширить диапазон возможностей транспортных средств и устройств с циклоидным пропеллером.

Возможно также использование в кормовой части корпуса морского судна предлагаемых ротора двойного вращения для циклоидного пропеллера с горизонтальной осью роторов.

Также возможно применение предлагаемого в настоящем изобретении ротора двойного вращения для циклоидного пропеллера на воздушном транспорте, в частности, на циклокоптерах. В случае отказа работы двигате- лей при аварийной посадке обеспечивается режим авторотации.

Кроме того, возможно использование циклоидного пропеллера с предлагаемым в настоящем изобретении ротором двойного вращения для циклоидного пропеллера на современных летательных аппаратах легче воз- духа, в том числе на дирижаблях, что позволяет улучшить возможности ди- рижаблей по маневрированию и стабилизации, благодаря возможности цик- лоидного пропеллера практически мгновенно изменять направление тяги.

Ротор двойного вращения для циклоидного пропеллера, предлагаемый в настоящем изобретении, может быть использован в ветро- и гидроэнерге- тике в качестве привода генератора. В отличие от ротора Дарье, циклоидный пропеллер обеспечивает самозапуск вращения ротора при минимальной ско- рости потока воздуха или воды. Циклоидный пропеллер с ротором двойного вращения также дает возможность более оперативной ориентации по направ- лению к ветру, чем другие системы ветровых генераторов, например, гори- зонтально-осевые установки