Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
DUAL-ROTATION ROTOR FOR A CYCLOIDAL PROPELLER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/004807
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to designs of rotating-blade cycloidal propulsive elements. A dual-rotation rotor for a cycloidal propeller comprises a primary rotor which rotates about its own axis and is kinematically connected to a drive shaft. Secondary rotors are mounted along the circumference of the primary rotor and are kinematically connected to the drive shaft. On the circumference of each secondary rotor there is one rotating-blade fastening seat, and the secondary rotors are kinematically connected to the drive shaft such that the transmission ratio between the primary rotor and the secondary rotors is equal to minus 1/2. Rotating intermediate shafts are arranged on the axes of the secondary rotors, and the radius of the arrangement of the rotating-blade fastening seats relative to the axis of a secondary rotor is less than the radius of the arrangement of the secondary rotors relative to the axis of the primary rotor. This allows a propeller blade to move along an elliptical path.

Inventors:
TASBULATOV, Yergaliy (ul. Butina, 16mkr-n Taugul-, Almaty A10F7A1, A10F7A1, KZ)
ASHKENOV, Yermek (ul. Ladushkina, 165Almaty, A26P3X2, А26РЗХ2, KZ)
Application Number:
KZ2017/000021
Publication Date:
January 03, 2019
Filing Date:
October 11, 2017
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
TASBULATOV, Yergaliy (ul. Butina, 16mkr-n Taugul-, Almaty A10F7A1, A10F7A1, KZ)
ASHKENOV, Yermek (ul. Ladushkina, 165Almaty, A26P3X2, А26РЗХ2, KZ)
International Classes:
B63H1/08; B63H3/02; B64C11/06
Foreign References:
RU2179521C22002-02-20
US6932296B22005-08-23
RU2060203C11996-05-20
RU2147545C12000-04-20
Attorney, Agent or Firm:
TROITSKAYA, Natalya (ul. Rozybakieva, 275-31Almaty, A15P3A0, A15P3A0, KZ)
Download PDF:
Claims:
Ф О Р М У Л А

1. Ротор двойного вращения для циклоидного пропеллера, содержа- щий главный ротор, вращающийся вокруг собственной оси и имеющий ки- нематическую связь с приводным валом, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что дополнительно введены расположенные по окружности главного ротора вращающиеся второстепенные роторы, по окружностям которых расположе- но по одному месту для крепления поворотных на своих осях лопастей, при этом второстепенные роторы имеют кинематическое соединение с привод- ным валом, обеспечивающее общее передаточное отношение главного рото- ра к второстепенным равное минус 1/2, кроме этого на осях второстепенных роторов расположены вращающиеся промежуточные валы, а радиус распо- ложения мест для крепления лопастей, относительно оси второстепенного ротора, меньше радиуса расположения осей второстепенных роторов относи- тельно оси главного ротора.

2. Ротор двойного вращения для циклоидного пропеллера, по п. 1 о т л и ч а ю щ и й с я тем, что кинематическое соединение второстепенных ро- торов с приводным валом, выполняется через шестеренчатые передачи, а именно, на расположенном на оси главного ротора центральном валу жестко закреплена центральная шестерня, входящая в зацепление с шестернями, за- крепленными на ступицах второстепенных роторов через паразитные шес- терни.

3. Ротор двойного вращения для циклоидного пропеллера, по п. 1 о т л и ч а ю щ и й с я тем, что по обеим сторонам ступиц второстепенных ро- торов на промежуточных валах жестко закреплено по одному зубчатому ко- лесу.

4. Ротор двойного вращения для циклоидного пропеллера, по п. 1 о т л и ч а ю щ и й с я тем, что центральный вал со стороны привода ступицы главного ротора жестко закреплен на червячном приводе с сервоприводом управления вектора тяги.

Description:
РОТОР ДВОЙНОГО ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ЦИКЛОИДНОГО ПРОПЕЛЛЕРА

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