ЦИКЛОИДНОГО ПРОПЕЛЛЕРАЮ

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- пательного движения. При движении по удлиненной циклоиде (prolate) лопа- сти совершают круговое вращение вокруг собственной оси, обеспечивая вы- сокую скорость передвижения при относительно низкой тяге. Разработка и внедрение мультициклоидного пропеллера с механизмом управления шагом лопастей, который может попеременно работать как в режиме укороченной циклоиды (curtate), так и в режиме удлиненной циклоиды с переходом из од- ного режима в другой без остановки вращения ротора позволит обеспечить высокую тягу, увеличить скорость движения и расширить диапазон возмож- ностей транспортных средств и устройств с циклоидным пропеллером.

Предшествующий уровень техники

Из предшествующего уровня техники известен ряд крыльчатых дви- жителей - циклоидных пропеллеров, в частности, судовой крыльчатый дви- житель, известный также под названием движитель Войта-Шнайдера (Voith Schneider Propeller) (А.с. SU JY«51404, В 63H 1/10, 01.01.1937), который пред- ставляет из себя кривошипно-коромысловый механизм с центральным валом, где центральный вал выполняет функцию эксцентрика. Колебательные дви- жения коромысла на валу лопасти приводят крыльчатый движитель в режим движения по укороченной циклоиде (curtate). Недостатком данного техниче- ского решения является ограничение по максимально возможной скорости движения судна. Так же представляет определенные трудности реализация эксцентрикового механизма, изменяющего свое положение относительно оси ступицы ротора и требующего достаточного пространства внутри ступицы ротора

Известен также циклоидный пропеллер (Cycloidal VTOL UAV) (Па- тент US >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. Также представляет сложность управле- ние направлением движения, так как изменение эксцентриситета и соответ- ственно шага лопастей, приводит в данной конструкции к изменению на- правления основного вектора тяги. Наличие паразитной шестерни и способ её крепления усложняют конструкцию и не обеспечивают надежность рабо- ты механизма. Представляет определенные трудности реализация эксцентри- кового механизма, изменяющего свое положение относительно оси ступицы ротора и требующего достаточного пространства внутри ступицы ротора.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению Крыльчато- го движителя по совокупности признаков является Морской движитель с вертикальной осью и поперечным расположением относительно направления потока, с постоянной управляемой ориентацией лопастей (Патент RU 2179521 , В63Н1/10, 2002), который состоит из ротора создающего вращение вокруг собственной оси от вала двигателя и управляемых электрогидравли- ческих приводов. Ротор содержит множество лопастей, при этом на оси ро- тора соосно друг с другом расположены шпиндели, имеющие независимую кинематическую связь с лопастями внутри корпуса ротора и независимое вращательное соединение с электрогидравлическими приводами снаружи корпуса ротора. Количество шпинделей и электрогидравлических приводов соответствует количеству отдельных лопастей

Данный механизм имеет значительное преимущество по регулирова- нию и выбору режима движения по укороченной (curtate) и удлиненной (prolate) циклоиде, но при этом является полностью зависимым от электрон- ного блока управления и электрогидравлической системы, что не обеспечи- вает достаточной надежности, по сравнению с полностью механическими приводами. Наиболее близким к заявляемому техническому решению Механизма изменения шага мультициклоидного пропеллера создающего движение по укороченной (curtate) и удлиненной (prolate) циклоиде и Механизма измене- ния шага лопастей циклоидного пропеллера, с регулируемой качающейся шайбой создающего движение по укороченной циклоиде (curtate) по сово- купности признаков является механизм изменения шага лопастей циклоидно- го пропеллера (Propeller for Aircraft), запатентованный Кирстеном и Гувером (Kurt F.J. KIRSTEN & Herbert M. HEUVER) (Патент US 2045233, B64C 1 1/00, 23.06.1936). Механизм изменения шага лопастей включает связанные между собой механизм изменения шага циклоидного пропеллера, создающий движение 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 лопа- сти.

Недостатком данного механизма является нерациональность: криво- шипно-кулисовый механизм создает колебательные движения аналогичные движениям характерным для механизмов изменения шага циклоидного про- пеллера укороченной циклоиды (curtate), а планетарный механизм создает вращательные движения аналогичные механизму изменения шага циклоид- ного пропеллера удлиненной циклоиды (prolate) с нулевым эксцентрисите- том, при этом дифференциальный механизм суммирует и обеспечивает дви- жения характерные только для механизма изменения шага циклоидного про- пеллера по удлиненной циклоиде. Так же представляет определенные труд- ности реализация эксцентрикового устройства, изменяющего свое положение относительно оси ступицы ротора и требующего достаточного пространства внутри ступицы ротора. Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемая группа изобре- тений, является создание:

- крыльчатого движителя с внешним стационарным механизмом из- менения шага циклоидного пропеллера;

- эффективного механизма изменения шага мультициклоидного про- пеллера с возможностью попеременной работы в режиме по укороченной циклоиде (curtate) и удлиненной циклоиде (prolate)

- механизма изменения шага циклоидного пропеллера с регулируемой качающейся шайбой, создающего движение по укороченной циклоиде (curtate)

Технический результат заключается в разработке и создании:

- крыльчатого движителя с внешним механическим стационарным механизмом изменения шага циклоидного пропеллера, работающего в благо- приятных условиях и имеющего возможность управления одним и более циклоидными роторами.

- механизма изменения шага мультициклоидного пропеллера, с воз- можностью попеременной работы в режиме по укороченной циклоиде (curtate) и удлиненной циклоиде (prolate), позволяющего обеспечить переход из одного режима в другой без остановки вращения ротора и выполняющего изменение шага циклоидного пропеллера без изменения положения цен- трального вала относительно оси ступицы ротора;

- механизма изменения шага циклоидного пропеллера с регулируемой качающейся шайбой, создающего движение по укороченной циклоиде (curtate) и выполняющего изменение шага циклоидного пропеллера без изме- нения положения центрального вала относительно оси ступицы ротора.

Указанный технический результат в предлагаемом Крыльчатом дви- жителе достигается тем, что в механизм, содержащий ротор, который имеет кинематическое соединение с валом двигателя и содержит множество лопа- стей, которые независимо кинематически связаны внутри ротора со шпинде- лями, расположенными на оси ротора соосно друг другу, при этом снаружи ротора шпиндели имеют независимую кинематическую связь с управляемы- ми приводами, согласно изобретению

- все управляемые приводы выполнены в виде одного механизма из- менения шага циклоидного пропеллера, с неподвижным корпусом ротора и вращающимся центральным валом, при этом ведущие валы лопастей меха- низма изменения шага циклоидного пропеллера имеют кинематическую связь со шпинделями одного, двух и более роторов крыльчатого движителя, а передаточное отношение вала двигателя к роторам крыльчатого движителя равно передаточному отношению вала двигателя к центральному валу меха- низма изменения шага циклоидного пропеллера.

- кроме того, дополнительно введены дифференциальные механизмы управления вектора тяги, расположенные, между центральным валом меха- низма изменения шага циклоидного пропеллера и приводом от двигателя и между роторами крыльчатого движителя и приводом от двигателя, при этом дифференциальные механизмы через управляемые конические шестерни имеют соединение с сервоприводами управления вектора тяги. Указанный технический результат в предлагаемом Механизме изме- нения шага мультициклоидного пропеллера, достигается тем, что в устройст- во, расположенное в ступице ротора и имеющее кинематическую связь с ва- лами лопастей циклоидного пропеллера, состоящее из кривошипно- кулисового механизма, создающего движение по укороченной циклоиде (curtate), планетарного и дифференциальных механизмов, согласно изобрете- нию

- кривошипно-кулисовый механизм, создающий движение по укоро- ченной циклоиде (curtate), выполнен в виде механизма изменения шага цик- лоидного пропеллера с качающейся шайбой, которая содержит внутреннее и наружное кольца с коромыслами.

- дополнительно введены механизмы переключения режимов мульти- циклоидного пропеллера. Количество механизмов переключения режимов соответствует количеству лопастей. Каждый механизм переключения режи- мов содержит два параллельно расположенных ведущих вала, закрепленных в корпусе ступицы ротора и один соосно расположенный ведомый вал. На ведущем валу вращательных движений, закреплена полумуфта. Со стороны полумуфты соосно расположен ведомый вал, при этом на ведомом валу сво- бодно закреплены шлицевая двухсторонняя муфта и шестерня, имеющая от- ветные кулачки со стороны муфты, Шестерня на ведомом валу входит во взаимное зацепление с шестерней жестко закрепленной на ведущем валу ко- лебательных движений. Муфта обеспечивает зацепление ведомого вала с шестерней или полумуфтой, посредством вилки, соединенной с сервоприво- дом

- в состав каждого дифференциального механизма так же дополни- тельно введены промежуточный вал и четыре шестерни. При этом одна шес- терня жестко закреплена на полой полуоси дифференциала и кинематически связана со второй шестерней, жестко закрепленной на ведущем валу колеба- тельных движений через промежуточный вал с двумя жестко закрепленными шестернями. - планетарный механизм, выполнен в виде центральной конической шестерни жестко закрепленной на центральном валу и сателлитных кониче- ских шестерен.

Кроме того, для достижения технического результата

- механизм изменения шага мультициклоидного пропеллера через ве- домый вал механизма переключения режимов соединен с угловым редукто- ром вала лопасти циклоидного пропеллера,

- а для изменения направления вектора тяги, которое достигается пу- тем поворота центрального вала внутри оси ступицы ротора на центральном валу закреплен червячный привод со стороны привода ступицы циклоидного пропеллера.

Указанный технический результат в предлагаемом Механизме изме- нения шага циклоидного пропеллера с качающейся шайбой, создающем дви- жение по укороченной циклоиде (curtate), достигается тем, что в устройство, расположенное в ступице ротора и имеющее кинематическую связь с валами лопастей циклоидного пропеллера, включающее в себя центральный вал со- гласно изобретению дополнительно введена регулируемая качающаяся шай- ба, содержащая внутреннее и наружное кольцо с коромыслами, при этом ко- личество коромысел с ведущими валами соответствует количеству лопастей. Внутреннее кольцо, связано с центральным валом шарнирно посредством оси с возможностью совместного вращения и изменения угла наклона. Меж- ду внутренним и наружным кольцами помещен отсекающий основной под- шипник. Наружное кольцо состоит из параллельных колец, имеющих по две диаметрально расположенных цапфе, кроме того, между наружной обоймой основного подшипника и внутренним диаметром второго и последующих па- раллельных колец расположены промежуточные подшипники, а оси цапф направлены в точку пересечения оси центрального вала и оси отклонения ка- чающейся шайбы. Цапфы шарнирно связаны с коромыслами одним концом, а другим концом коромысла жестко закреплены на ведущих валах колеба- тельных движений, при этом ось цапфы и ось вала колебательных движений взаимно перпендикулярны, а валы колебательных движений смонтированы в ступице ротора перпендикулярно центральному валу и находятся в одной плоскости с осью качения качающейся шайбы. Шарниры, связывающие цап- фы с коромыслами выполнены одноосевыми. Регулирование наклона ка- чающейся шайбы осуществляется посредством гидравлического цилиндра, закрепленного на центральном валу одним концом, а другим связанным с внутренним кольцом.

Для изменение направления вектора тяги, которое достигается путем поворота центрального вала внутри оси ступицы ротора на центральном валу закреплен червячный привод со стороны привода ступицы циклоидного про- пеллера.

Введение в Крыльчатый движитель дифференциальных механизмов управления вектора тяги между центральным валом и приводом от двигателя и между роторами и приводом от двигателя привело к появлению возможно- сти изменения вектора тяги одного и более роторов.

Выполнение управляемых приводов в виде механизма изменения ша- га циклоидного пропеллера, с неподвижным ротором и вращающимся цен- тральным валом обеспечило вращение шпинделей и соответственно лопастей роторов в режиме по укороченной циклоиде (curtate) и удлиненной циклоиде (prolate).

Введение в Механизм изменения шага мультициклоидного пропелле- ра, механизма переключения режимов мультициклоидного пропеллера при- вело к появлению возможности попеременной работы в режиме по укоро- ченной циклоиде (curtate) и удлиненной циклоиде (prolate).

Введение в состав дифференциального механизма четырех шестерен и промежуточного вала обеспечило необходимое передаточное отношение и заданное направление вращения дифференциального механизма.

Выполнение механизма изменения шага лопастей циклоидного про- пеллера создающего движение по укороченной циклоиде (curtate) в виде ме- ханизма изменения шага лопастей циклоидного пропеллера с регулируемой качающейся шайбой обеспечило изменение шага циклоидного пропеллера без изменения положения центрального вала относительно оси ступицы ро- тора.

Выполнение планетарного механизма в виде центральной конической шестерни и сателлитных конических шестерен обеспечило необходимую конструктивную компоновку механизма изменения шага мультициклоидного пропеллера.

Введение в механизм изменения шага циклоидного пропеллера регу- лируемой качающейся шайбы обеспечило появление возможности изменения шага циклоидного пропеллера без изменения положения центрального вала относительно оси ступицы ротора.

При этом регулирование наклона качающейся шайбы осуществляется через гидравлический цилиндр одним концом закрепленный на центральном вале, а другим на внутреннем кольце, через тягу. Механизм изменения шага циклоидного пропеллера через вал колебательных движений соединен с уг- ловым редуктором вала лопасти циклоидного пропеллера.

Принцип единства предлагаемых технических решений заключен в следующей взаимосвязи.

Крыльчатый движитель содержит механизм изменения шага цикло- идного пропеллера, в качестве которого может быть использован как меха- низм изменения шага мультициклоидного пропеллера, позволяющий обеспе- чить возможность попеременной работы в режиме по укороченной циклоиде (curtate) и удлиненной циклоиде (prolate), так и механизм изменения шага циклоидного пропеллера с регулируемой качающейся шайбой, создающего движение по укороченной циклоиде (curtate).

Кроме того, механизм изменения шага мультициклоидного пропелле- ра содержит в своем составе механизм изменения шага циклоидного пропел- лера с регулируемой качающейся шайбой. Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания сущность предлагаемых технических реше- ний поясняется с привлечением графических материалов, где на фиг.1 пред- ставлена кинематическая схема Крыльчатого движителя с двумя двухлопаст- ными роторами.

На фиг.2 изображен четырехлопастной циклоидный пропеллер с ме- ханизмом изменения шага мультициклоидного пропеллера в разрезе (серво- привод и вилка механизма переключения режимов не показаны).

На фиг.З - Сечение А-А

На фиг.4 - Сечение В-В

На фиг.5 показана схема перемещения лопастей механизма изменения шага лопастей циклоидного пропеллера, создающего движение по удлинен- ной циклоиде (prolate)

На фиг.6 представлен график зависимости угла поворота лопасти от- носительно углов поворота ступицы ротора удлиненной циклоиды (prolate) при угле отклонения качающейся шайбы а= 0; 10; 21 ,7; 30 градусов

На фиг.7 приведена схема перемещения лопастей механизма измене- ния шага лопастей циклоидного пропеллера, создающего движение по уко- роченной циклоиде (curtate).

На фиг.8 представлен график зависимости углов поворота лопасти относительно углов поворота ступицы ротора механизма изменения шага ло- пастей циклоидного пропеллера, создающего движение по укороченной цик- лоиде (curtate) при угле отклонения качающейся шайбы а = 0; 10; 21 ,7; 30 градусов

На фиг.9 изображены графики зависимости углов поворота лопасти относительно углов поворота ступицы ротора при работе в режиме по укоро- ченной циклоиде (curtate) - С и удлиненной циклоиде (prolate) - Р при угле отклонения качающейся шайбы а = 21 ,7 градусов необходимом для синхро- низации и переключения режимов. На фиг.10 показан пример изготовления четырехлопастного циклоид- ного пропеллера с механизмом изменения шага циклоидного пропеллера с регулируемой качающейся шайбой в разрезе.

На фиг.1 1 - Сечение С-С;

На фиг.12 - Сечение D-D

На фиг.13 - Сечение С-С для шести лопастного циклоидного пропел- лера.

Лучший вариант осуществления изобретения

Крыльчатый движитель фиг 1 состоит из ротора 1 имеющего кинема- тическую связь с механизмом 2 изменения шага лопастей циклоидного про- пеллера.

Ротор содержит множество лопастей 3, на оси ротора соосно друг с другом расположены шпиндели 4, Шпиндели 4 разграничены между собой и ступицей ротора 1 подшипниками, на шпинделях 4 жестко закреплены зуб- чатые колеса 5, на валах 6 лопастей так же жестко закреплены зубчатые ко- леса 7, соединяемые со шпинделями 4 через зубчатые ремни 8. Снаружи кор- пуса ротора на шпинделях 4 жестко закреплены шестерни 9 входящие в заце- пление с шестернями 10 жестко закрепленными на валах приводов 1 1. Валы приводов 1 1 свободно закреплены на неподвижной станине транспортного средства. Количество шпинделей 4 и валов приводов 1 1 соответствует коли- честву отдельных лопастей 3. Механизм изменения шага лопастей циклоид- ного пропеллера 2 закреплен на станине и выполнен в виде неподвижного ротора с вращающимся центральным валом 12. Валы приводов 1 1 имеют эластичное муфтовое соединение 13 с ведущими валами лопастей 14 меха- низма 2 изменения шага лопастей циклоидного пропеллера. Ротор 1 и цен- тральный вал 12 механизма 2 изменения шага лопастей циклоидного пропел- лера имеют общий привод от двигателя 15 через дифференциальные меха- низмы 16, 17. Дифференциальные механизмы 16, 17 выполнены в классиче- ской компоновке и состоят из двух полуосей с закрепленными на них кони- ческими шестернями, а также сателлитных шестерён. Сателлитные шестерни кинематически связанны с центральным валом 12 или со ступицей ротора 1. Одна полуось имеет кинематическую связь с двигателем 15, а другая полуось - с управляемыми коническими шестернями 18, 19 имеет соединение с сер- воприводами 20, 21. Передаточное отношение вала двигателя к ротору крыльчатого движителя, равно передаточному отношению вала двигателя к центральному валу механизма изменения шага циклоидного пропеллера.

Механизм крыльчатого движителя работает следующим образом.

Двигатель 15 через дифференциальные механизмы 16, 17 приводит во вращение ротор 1 и центральный вал 12 механизма 2 изменения шага лопа- стей циклоидного пропеллера, при этом управляемые сервоприводами 20, 21 конические шестерни 18 и 19 неподвижны. Скорость вращения центрального вала 12 равна скорости вращения ротора 1. Механизм 2 изменения шага ло- пастей циклоидного пропеллера преобразует вращение центрального вала 12 в движения по укороченной (curtate) или удлиненной (prolate) циклоиде, и через ведущие валы лопастей 14, муфту 13 и валы приводов 1 1 передает вращение на шпиндели 4, которые, в свою очередь, производят вращение ло- пастей 3 вращающегося ротора 1. Из-за планетарного принципа устройства, состоящего из вращающихся ротора 1 и шпинделей 4, расположенных на оси ротора 1 , происходит трансформация движения по укороченной (curtate) циклоиде ведущего вала лопасти 14 в движение по удлиненной (prolate) цик- лоиде вала лопасти 6, кроме того, движение по удлиненной (prolate) циклои- де ведущего вала лопасти 14 преобразуется в движение по укороченной (curtate) циклоиде вала лопасти 6.

Дифференциальные механизмы 16, 17 служат для изменения вектора тяги, путем поворота управляемых конических шестерен 18, 19 на необходи- мый угол посредством сервоприводов 20, 21.

Дифференциальный механизм 17 на центральном валу 12 выполняет общее изменение вектора тяги для всех роторов, а дифференциальный меха- низм 16 на приводах роторов 1 изменяет вектор тяги при необходимости, для создания разницы направления вектора тяги между роторами. При одноро- торном исполнении крыльчатого движителя или при отсутствии необходи- мости создания разницы направления вектора тяги между роторами, диффе- ренциальный механизм 16 на приводе ротора не монтируется. Тип приме- няемого механизма изменения шага лопастей циклоидного пропеллера 2, создающего движение лопастей по укороченной циклоиде или удлиненной циклоиде, а так же мультициклоидного механизма, создающего оба типа движения, выбирается в зависимости от назначения транспортного средства.

Механизм изменения шага лопастей мультициклоидного пропеллера, создающий движение по укороченной (curtate) и удлиненной (prolate) цик- лоиде, фиг. 2 ,фиг. 3 и фиг. 4 состоит из четырех устройств, выполняющих функции согласно их назначениям:

- механизма изменения шага лопастей циклоидного пропеллера с ре- гулируемой качающейся шайбой, создающего движение по укороченной циклоиде (curtate);

- планетарного механизма;

- дифференциального механизма вращательных движений, создающе- го движение по удлиненной циклоиде;

- механизма переключения режимов.

Планетарный механизм (фиг.2) состоит из центральной конической шестерни 22, жестко закрепленной на центральном валу 12, сателлитных ко- нических шестерен 23 входящих в зацепление с центральной конической шестерней 22, при этом сателлитная коническая шестерня 23 жестко закреп- лена на полуоси 24 дифференциального механизма.

Дифференциальный механизм (фиг.2) состоит из полуоси 24, полой полуоси 25 с закрепленными на них коническими шестернями 26, 27, а так же сателлитов 28, 29, закрепленных на ведущем валу 30 вращательных дви- жений. На полой полуоси 25 дифференциала жестко закреплена шестерня 31 , кинематически связанная с шестерней 32, жестко закрепленной на ведущем валу 33 колебательных движений через промежуточный вал 34 с двумя шес- тернями 35 и 36. Ведущий вал 30 проходит сквозь полую полуось 25 и вхо- дит в механизм переключения режимов. Коническая шестерня 27, полая по- луось 25 и шестерня 31 , показаны на фиг 2, как единая деталь.

Механизм переключения режимов мультициклоидного пропеллера (фиг.2) состоит из трех параллельно расположенных валов, закрепленных в корпусе ступицы 37 ротора, а именно: ведущего вала колебательных движе- ний 33 с жестко закрепленной на нем шестернёй 38 и передающего колеба- тельные движения Механизму с качающейся шайбой для создания колеба- тельных движений циклоидного пропеллера по укороченной циклоиде; ве- дущего вала вращательных движений 30 дифференциального механизма, создающего движение по удлиненной циклоиде, и ведомого вала 39.

Ведомый вал 39 одним концом расположен в корпусе ступицы 37 ро- тора, а другим концом упирается через подшипник в соосный с ним ведущий вал 30 вращательных движений, что обеспечивает независимое вращение обоих валов. На ведущем валу 30 со стороны ведомого вала 39 жестко закре- плена полумуфта 40. На ведомом валу 39 свободно закреплена шестерня 41. Между шестерней 41 и полумуфтой 40, на ведомом валу 39 расположена шлицевая двухсторонняя муфта 42, обеспечивающая зацепление ведомого вала 39 с шестерней 41 или полумуфтой 40 на ведущем валу 30 вращатель- ных движений. Шестерня 41 , имеющая ответные кулачки со стороны муфты 42, входит во взаимное зацепление с шестерней 38 на ведущем валу колеба- тельных движений 33.

Ведомый вал 39 передает вращение на угловой редуктор, состоящий из шестерен 43 и 44 вала 14 лопасти циклоидного пропеллера.

Изменение направления вектора тяги производится путем поворота центрального вала 12 внутри оси ступицы 37 ротора через червячный привод 45 или другой тип привода (шестеренчатый, цепной и т.д.).

Вращение ступицы 37 ротора от двигателя осуществляется через вал 46 и конические шестерни 47 и 48, возможно также использование других типов приводов. Механизм изменения шага мультициклоидного пропеллера функцио- нирует следующим образом.

При вращении ступицы 37 ротора и отклонении качающейся шайбы Механизма изменения шага лопастей с качающейся шайбой, вал колебатель- ных движений 33 передает через шестерни 32, 35, 36 и 31 колебания на по- лую полуось 25 дифференциального механизма. Одновременно вращение ступицы 37 приводит к вращению сателлитную шестерню 23 планетарного механизма, закрепленную на полуоси 24 дифференциального механизма, что приводит к вращению в дифференциальном механизме сателлитных шесте- рён 28, 29 и ведущего вала вращательных движений 30. Ведущий вал колеба- тельных движений 33 и ведущий вал вращательных движений 30 входящие в механизм переключения режимов, вращают шестерню 41 и полу муфту 40. Положение муфты 42 на ведомом валу 39 определяет, какой тип движения - удлиненной циклоиды (prolate) или укороченной циклоиды (curtate) - задает- ся на угловой редуктор вала 14 лопасти.

Дифференциальный механизм преобразует вращательные и колеба- тельные движения, обеспечивая движение лопастей циклоидного пропеллера по траектории удлиненной циклоиды (prolate) на фиг.5.

В качестве примера рассмотрим вариант, в котором передаточное от- ношение зубчатых шестерен составляет,

K1=Z43/Z44=1 (1)

Κ2=Ζ22/Ζ23=2 (2)

Κ3=(Ζ32/Ζ35)*(Ζ36/Ζ31)=3 (3)

Κ4=Ζ38/Ζ41=1 ,5 (4) где К - передаточное отношение,

Ζ43 - количество зубьев на шестерне 43,

Ζ44- количество зубьев на шестерне 44.

Ζ22- количество зубьев на шестерне 22,

Ζ23 - количество зубьев на шестерне 23

Ζ32 - количество зубьев на шестерне 32, Z35- количество зубьев на шестерне 35.

Z36- количество зубьев на шестерне 36,

Z31 - количество зубьев на шестерне 31

Z38 - количество зубьев на шестерне 38,

Z41 - количество зубьев на шестерне 41.

В режиме удлиненной циклоиды (prolate) и угле отклонения качаю- щейся шайбы а = 0 поворот ступицы ротора 37 на угол Θ приведет к повороту ведомого вала 39 и соответственно вала лопасти 14 на угол βρ = Θ по всему радиусу поворота.

При угле отклонения качающейся шайбы а >0, угол βρ будет равен углу Θ только при Θ = 0°, 180° и 360°. Таким образом, обеспечивается нерав- номерное вращение ведомого вала 39, то есть попеременное уменьшение и увеличение его скорости углового вращения, что в свою очередь обеспечива- ет круговое движение вала лопасти 14 по удлиненной циклоиде (prolate) по графику, представленному на фиг.6. по формуле:

βρ= 2*Θ/Κ2 - β * КЗ/2 = θ - 1 ,5*β, (5)

где

βρ - угол поворота вала лопасти в режиме удлиненной циклоиды (prolate)

Θ- угол поворота ступицы ротора.

β= угол отклонения коромысла, ведущего вала колебательных движе- ний.

Функционирование механизма в режиме укороченной циклоиды (curtate) обеспечивает движение лопастей циклоидного пропеллера по траек- тории укороченной циклоиды (curtate), представленной на фиг.7 согласно описания работы Механизма изменения шага лопастей циклоидного пропел- лера с регулируемой качающейся шайбой, при этом оказывается влияние на изменение амплитуды колебательных движений вала лопасти 14 через пере- даточное отношение шестерен 38 и 41 по графику, представленному на фиг. 8 согласно формуле βο= β* Κ4=1 ,5* β, (6) где

βο- угол поворота вала лопасти в режиме укороченной циклоиды (curtate).

Необходимые условия для переключения режимов обеспечиваются за счет синхронизации вращения ведущего вала колебательных движений 33 Механизма с регулируемой качающейся шайбой, создающего движение по укороченной циклоиде и ведущего вала вращательных движений 30, соз- дающего движение по удлиненной циклоиде в определенном секторе пово- рота ступицы 37 ротора при определенных значениях передаточного отно- шения шестерен 41 и 38 и определенном значении а - угла отклонения ка- чающейся шайбы.

В качестве примера рассмотрим вариант, в котором:

K1=Z43/Z44=1 (7)

Κ2=Ζ22/Ζ23=2 (8)

Κ3=(Ζ32/Ζ35)*(Ζ36/Ζ31)=3 (9)

Κ4=Ζ38/Ζ41=1 ,5 (10)

В данном случае (фиг.9), при угле отклонения качающейся шайбы близкому а =21.77°, в диапазоне углов Θ от - 305° до 55° (сектор 1 10°) проис- ходит уравнивание углов βΰ ведущего вала колебательных движений 33 Ме- ханизма с регулируемой качающейся шайбой, создающего движение по уко- роченной циклоиде и угла βρ ведущего вала вращательных движений 30, создающего движение по удлиненной циклоиде с погрешностью, не превы- шающей 2°, что обеспечивает синхронизацию вращения в указанном секторе 1 10°, в результате чего обеспечивается возможность переключение режимов работы циклоидного пропеллера с режима движения по укороченной цик- лоиде (curtate) в режим движения по удлиненной циклоиде (prolate) и обрат- но.

Необходимое соотношение зубчатых передач будет зависеть от по- ставленной задачи по согласованию подбираемых расчетным и опытным пу- тем аэродинамических характеристик применяемых профилей лопастей цик- лоидного пропеллера для перехода из одного режима в другой, а так же кон- структивных ограничений изменения угла отклонения качающейся шайбы. Соответственно будут меняться значения а - угла отклонения качающейся шайбы для синхронизации вращения ведущего вала колебательных движе- ний и ведущего вала вращательных движений. Например, при

K1=Z43/Z44=1 (1 1)

Κ2=Ζ22/Ζ23=2 (12)

Κ3=(Ζ32/Ζ35)*(Ζ36/Ζ31 )=2 ( 13)

Κ4=Ζ38/Ζ41=1 (14)

В данном случае синхронизация произойдет, при угле отклонения ка- чающейся шайбы близкому а =33.18°,

Переключение режимов (фиг.2) происходит за счет перемещение муфты посредством сервопривода, управляемого контроллером, согласован- ным с датчиками положения ступицы 37 ротора относительно центрального вала 12 и значения а - угла отклонения качающейся шайбы.

Механизм изменения шага лопастей циклоидного пропеллера с ка- чающейся шайбой, создающий движение по укороченной циклоиде (curtate), представляет собой устройство, находящееся в ступице ротора и передающее вращение лопастям циклоидного пропеллера, состоящее из механизма с ре- гулируемой качающейся шайбой и шарнирно связанным с ней коромыслом с возможностью качания в плоскости перпендикулярной качающейся шайбе, который является синтезом качающей шайбы и коромыслового механизмов.

Механизм содержит (фиг.10, 1 1 , 12) центральный вал 12 шарнирно связанный посредством оси 49 с качающейся шайбой. Качающаяся шайба имеет внутреннее кольцо 50, связанное с центральным валом 12 с возможно- стью совместного вращения и изменения угла наклона. Между внутренним 50 и наружным 51 кольцами помещен подшипник 52. Наружное кольцо 51 качающейся шайбы шарнирно связано с коромыслом 53 через цапфу 54 од- ним концом, а другим концом коромысло 53 жестко закреплено на ведущем валу 33 колебательных движений. Ось цапфы 54 и ось вала 33 колебательных движений взаимно перпендикулярны. Наружное кольцо 51 состоит из парал- лельных колец 55, имеющих по две диаметрально расположенных цапфе 54, и являющимися верхней и нижней обоймой опорного подшипника. Между наружной обоймой основного подшипника 52 и внутренним диаметром вто- рого кольца 55 расположен промежуточный подшипник 56, выполненный в виде втулки (подшипник скольжения) или игольчатый подшипник. Количе- ство параллельных колец наружного кольца соответствует парному количе- ству лопастей циклоидного пропеллера, например, для 2-х, 4-х или 6-ти ло- пастного пропеллера соответствуют 1 , 2 или 3 параллельных кольца. Взаим- ное расположение цапф 54, коромысел 53 и валов колебательных движений 33 для шести лопастного циклоидного пропеллера показано на фиг.13

Вал 33 колебательных движений смонтирован в ступице ротора 37 перпендикулярно центральному валу 12 в одной плоскости с осью 49 качения качающейся шайбы. Устройство регулирования наклона качающейся шайбы состоит из гидравлического цилиндра 57 одним концом закрепленный на центральном валу 12, а другим на внутреннем кольце 50, через тягу 58 (фиг.12).

Механизм изменения шага лопастей циклоидного пропеллера с регу- лируемой качающейся шайбой через вал колебательных движений 33 соеди- нен с угловым редуктором вала 14 лопасти циклоидного пропеллера

Изменение направления вектора тяги производится путем поворота центрального вала 12 внутри оси ступицы 37 ротора через червячный привод 45 или другой тип привода (шестеренчатый, цепной и т.д.).

Вращение ступицы ротора 37 от двигателя осуществляется через вал 46 и конические шестерни 47 и 48.

Механизм изменения шага лопастей циклоидного пропеллера с регу- лируемой качающейся шайбой, обеспечивает движение циклоидного пропел- лера по траектории укороченной циклоиды(сш1:а1е) (фиг. 6) следующим обра- зом. При вращении ступицы ротора 37 (фиг. 10) и отклонении качающейся шайбы от вертикали наружное кольцо 51 качающейся шайбы, увлекаемое центральным валом 12 посредством оси 49 совершает вращательное движе- ние вокруг внутреннего кольца 50 и качательное движение относительно оси коромысла 53 и вала колебательных движений 33. Амплитуда колебательных движений наружного кольца 51 и коромысла 53 на валу колебательных дви- жений 33, зависит от угла отклонения качающейся шайбы. Параллельные кольца 55 наружного кольца 51 , разграниченные промежуточными подшип- никами 56 и зафиксированные коромыслами 53, при увеличении угла откло- нения качающейся шайбы до определенных значений, производят незначи- тельные колебательные вращения относительно друг друга и относительно наружной обоймы основного подшипника 52. Колебательные движения ве- дущего вала 33 колебательных движений передаются валу лопасти 14 через угловые редукторы, в частности, конические шестерни 43 и 44 с общим пе- редаточным отношением К > 1 , т.е. угол поворота вала лопасти 14 соответ- ствует или больше угла поворота вала колебательных движений 33. Соответ- ственно, при увеличении общего передаточного отношения достигается уве- личении максимального шага лопасти.

В качестве примера рассмотрим вариант, в котором передаточное от- ношение зубчатых шестерен 43 ,44 углового редуктора вала лопасти состав- ляет

K1=Z43/Z44=1,5, ( 15) где К - передаточное отношение,

Ζ43 - количество зубьев на шестерне 43,

Ζ44 - количество зубьев на шестерне 44.

Угол поворота Рс вала лопасти 14 имеет зависимость относительно углов поворота ступицы 37 ротора и изменении угла отклонения качающейся шайбы а по графику, представленному на фиг. 7, обеспечивая колебательное движение вала лопасти 14 по укороченной циклоиде (curtate) по формуле:

рс= β* К1= 1 ,5 *arcsin (sin a* sin Θ), ( 16) где,

= arcsin (sin a* sin Θ) (17) угол поворота коромысла, ведущего вала колебательных движений - угол поворота вала лопасти в режиме укороченной циклоиды

(curtate);

Θ - угол поворота ступицы ротора;

а - величина угла отклонения качающейся шайбы

Промышленная применимость

Широко известные движители Войт-Шнайдера, используемые на морских судах имеют хорошую тягу и маневренность, но ограничены по ско- роста передвижения, т.к. имеют только один режим движения по укорочен- ной циклоиде (curtate). Применение на водном транспорте предлагаемого в настоящем изобретении крыльчатого движителя с механизмом изменения шага лопастей мультициклойдного пропеллера, который может попеременно работать, как в режиме укороченной циклоиды (curtate), так и в режиме уд- линейной циклоиды (prolate) позволит увеличить надежность, снизить расход топлива, увеличить скорость движения и расширить диапазон возможностей судов с циклоидным пропеллером.

Возможно также использование в кормовой части корпуса морского судна предлагаемых крыльчатых движителей с горизонтальной осью рото- ров.

Также возможно применение циклоидного пропеллера с предлагае- мым в настоящем изобретении механизмом изменения шага лопастей муль- тициклоидного пропеллера на воздушном транспорте, в частности на цикло- коптерах. Вертикальный взлет, первоначальный набор скорости, зависание и вертикальная посадка могут осуществляться в режиме укороченной циклои- ды (curtate), а полет, предположительно на больших, чем вертолет скоростях, может происходить в режиме удлиненной циклоиды (prolate). В случае отка- за работы двигателей циклокоптера при аварийной посадке обеспечивается режим авторотации. Кроме того, использование циклоидного пропеллера с предлагаемым в настоящем изобретении механизмом управления шагом лопастей возможно на современных летательных аппаратах легче воздуха, в том числе на дири- жаблях. Применение в качестве движителя на дирижаблях циклоидного про- пеллера(-ов) с возможностью работы, как по укороченной (curtate), так и по удлиненной (prolate) циклоидам позволяет улучшить возможности дирижаб- лей по маневрированию и стабилизации благодаря возможности циклоидного пропеллера практически мгновенно изменять направление тяги.

Циклоидный пропеллер с предлагаемым в настоящем изобретении ме- ханизмом управления шагом лопастей с возможностью работы как по укоро- ченной (curtate), так и по удлиненной (prolate) циклоидам может быть ис- пользован в ветро- и гидроэнергетике в качестве привода генератора. В отли- чие от ротора Дарье, циклоидный пропеллер обеспечивает самозапуск вра- щения ротора при минимальной скорости потока воздуха или воды. Причем при использовании циклоидного пропеллера в качестве привода генератора для основного режима рекомендуется использовать режим укороченной цик- лоиды (curtate), а для эксплуатации в экстремальных условиях, например, при ураганном ветре, а также при необходимости остановки ротора рекомендует- ся применять режим удлиненной циклоиды (prolate). Возможно применение ротора ветрового генератора только в режиме укороченной циклоиды (curtate), при этом торможение ротора при повышенной скорости набегающе- го потока необходимо осуществлять изменением шага лопастей и направле- ния основного вектора тяги. Циклоидный пропеллер также дает возможность более оперативной ориентации по направлению к ветру, чем другие системы ветровых генераторов, например, горизонтально-осевые установки.