Общественно-научное объединение

         « Содействие изобретениям и   новациям» (CBIIT)

                           Презентация результатов

                    Исследований и экспериментов,

           моделирования и расчетов в программе ANSYS

          прототипов изобретения «Трубо-винтовой ротор»

                   и перспективы их использования

                            

Руководитель проекта, автор и владелец патента на изобретение Денисов Александр Константинович,

соавторы проекта, инженеры исследователи:

Синельник Александр Сергеевич и Бабенко Александр Владиславович

Контакты :dalko133@gmail.com, +380953528786

Исходные теоретические предположения. Трубо-винтовой ротор (далее ТВР) является устройством объединяющим осевой нагнетатель и центробежный канально-роторный насос, в котором внешний винтовой контур (далее ОН),при вращении, обеспечивает осевой поток, а каналы пустотелых лопастей с угловыми сопряжениями – радиально-поворотный, центробежный (далее ЦБН), более скоростной (относительно осевого) поток, от центра общего входа к концам ИС, нагнетательных отверстий на концовках лопастей и общим, совпадающим по направлению, результирующим выбросом потоков ОН и ЦБН.

             http://pipe-screwrotor.blogspot.com

 Основное отличие технической идеи ТВР от идеи академика Б.Н. Юрьева ученика и зятя создателя аэродинамики, как научного направления,

Н.Е. Жуковского «Реактивный турбо-пропеллер» в том, что

В этом техническом решении, (а если вспомнить, еще более ранние   устройства, такие как: как шар Герона Александрийского (1 век н.э.), Сегнерово колесо (сер.18.в.) предлагалась система Горячего или Холодного привода, когда воздух, смесь воздуха с жидкостью подается посредством создания искусственного давления во входное отверстие и выбрасывается из концов в разные стороны, таким способом, и таким образом заставляет вращаться винт. Почему эта блестящая и перспективная идея не получила распространения и применения и о ней попросту забыли? Получилось, что с водой выплеснули ребенка. Дело в том, что, именно в той постановке, как она обозначена в патенте заслуженного академика, это действительно тупиковый путь для использования его в качестве НВ или ВВ, потому как радиально-тангенциальный выброс смывает осевой поток, и резко снижает тяговые характеристики такого винта, т.е. вы выигрываете в одном, но одновременно проигрываете в другом.

  В  идее ТВР, все с точностью до наоборот ( здесь, больше сходства с идеей первого центробежного насоса придуманного в нач.17 в. Французским инженером и известном в истории техники как колесо Бланкано). Вращение принудительное мотором, или в естественном потоке за счет внешнего винтового профиля, обеспечивает естественное (не принудительное) всасывание газа и жидкости в центре оси рабочего колеса, через открытое отверстие трубообразной лопасти и дальнейшее радиальное движение и выброс исходящей струи на периферию плоскости вращения за счет действия центробежных сил. 

   Вопрос энергетической эффективности, затрат на дополнительную работу центробежного насоса в устройстве ТВР нельзя рассматривать как одинаковую по сравнению с, например, двумя параллельно работающими обычными устройствами, - центробежным насосом и осевым нагнетателем, так как они, в конструкции ТВР, не просто имеют общий привод, вал и плоскость вращения, а еще и активно влияют, взаимодействуют друг с другом без помех в разных АКТИВНЫХ секторах плоскости общего РК устройства. Известно, что у обычного винта - ВВ из активной работы выпадает, именно, центральная и периферийно кольцевая часть. У ТВР задействуются более эффективно, как раз эти области, в центре перед винтом – активный всасыватель, за винтом, по периферийному кольцу – выброс потока ИС ЦБН.

    В соответствии с теорией лопастных машин, при одинаковых диаметрах рабочих колес (далее РК) и частоте вращения, работа, совершаемая внешним контуром и внутренними полостями - примерно одинакова. То есть, объемы перекачивания газов или жидкости через рабочее колесо Трубо-винтового ротора, отдельно через его ОН = внешний винтовой профиль, и ЦБН = канально-роторный нагнетатель, будут определяться не только размерными параметрами : площадью ометания всего РК устройства и площадями входного-выходного отверстий ЦБН, что в оптимальной модели Идеального ТВР может варьироваться в пределах от 1% до 30% ( в наших испытательных прототипах   соотношение 100 к 1 % диаметр - 375 мм., вход ЦБН – 40 мм., но и, что особенно важно, и более существенно, – самим взаимодействием этих потоков за пределами РК, что и необходимо установить опытно-экспериментальным путем.

  Существенно отличительной особенностью, общих динамических характеристик работы ТВР, является значительное дополнительное разряжение перед винтом, создаваемое всасывателем ЦБН, что меняет сами физические условия работы всего устройства, (по сравнению с обычным винтом, у которого перед винтом отсутствует активная зона центростремительного ускорения), тем самым уменьшая энергопотребление привода силовой установки. И, наоборот, при использовании устройства, как обратимую механическую машину для преобразования и генерации энергии происходит увеличение энергетической эффективности установки за счет действия «холодного привода» прямо действующего на изменения частоты вращения и перевода, вовлечения осевого потока в радиальный с усилением Момента силы воздействия на вал.

      Это диктует наличие принципиальных конструктивных различий, прежде всего, в ориентации исполнения Исходящих сопел по вектору направления выброса потока ЦБН относительно оси вращения (т.е. вектору направленности осевого потока). Вторым, не менее важным отличием и особенностью возможных конструктивных вариативных решений исполнения прототипов ТВР, является применение различных углов и линий крутизны отклонения лопасти относительно перпендикуляра оси вращения. Третьим - исполнение внутренних трубообразных каналов пустотелой лопасти с различными коэффициентами конфузорности – диффузорности.

 

       То есть, во всех возможных вариантах исполнения ТВР, как устройств специального применения, для получения оптимального технического результата по тяговым, расходным характеристикам, величине Момента силы на вал, термодинамическим показателям, применяются разные отличающиеся друг от друга устройства.

    Действует следующая классификация: движителя, (далее Д) насоса (далее Н) ,ветро-,гидро- турбины (далее Т), устройства Охлаждения (далее Х) и тепла (Г) используются, отличающиеся друг от друга конструкции. Например, ТВР в качестве ветро-турбины, максимально выгодная полезная работа происходит с падением тяговых характеристик, но с увеличением воздействия момента силы вращения на вал установки.

    По способу и иерархии и первично-вторичной подчиненности, определены несколько принципиальных схем взаимодействия ОН и ЦБН в общей конструкции ТВР:

1.     Оптимально-совместного взаимодействия сбалансированных потоков ОН и ЦБН в единой модульной системе ТВР.

2.     Системно-возвратного взаимодействия через первичный Осевой привод

3.     Системно-возвратного взаимодействия через первичный ЦБН привод

4.     Паразитарно-приводного взаимодействия от ОН

5.     Паразитарно-приводного взаимодействия от ЦБН

Наиболее оптимальное взаимодействие потоков в конструкции ТВР (классификации – Д, -Н ), как устройстве обеспечивающем максимально возможную тягу (расход), когда выброс ИС ЦБН осуществляется в сторону исходящего осевого потока и 0- 45 градусным тангенциальным угловым смещением от линии оси вращения и 90 – 70 градусным угловым смещением по длине оси вращения на уменьшение, сдавливание центробежным потоком осевого. В этом случае, за винтом ТВР, образуется плавно расходящийся диффузор, или фокусирующийся в определенной точке, спиралевидный, кольцевой воздушный контур – конфузор. Исходящий и более скоростной поток из сопел ЦБН, обеспечивающий дополнительную эжекцию (ускорение) осевого, менее скоростного относительно потока ЦБН, за винтом.

   Главными преимуществами конструктивного совмещения двух устройств в одном, по сравнению с обычным ВВ,

является задействование им в работе:

1) Центробежных сил, возникающих при угловом, относительно оси вращении, трубы канала конфузорного типа, инициирующих более скоростное прохождение потока через РК устройства

2) Дополнительного разряжения за счет втягивания и придания центростремительного ускорения потоку перед винтом по типу всасывания в воронку возмущенного вращающегося потока (Фильм «Как возникают Торнадо. С точки зрения Науки.  См. мин.8.39 – 9.20 )

https://www.youtube.com/watch?v=UPYiaMxozFk

3) Эффекта присоединения, эжекции более скоростным ЦБН потоком осевого, т.е. его равноускоренного движения как основного, в смешанно-совмещенном потоке за винтом. 

4) Повышенной площади всасываемости за счет применения лопастей с боковым профилем сферического и усеченно-конусного дизайна, придания объемности действия активной рабочей зоны устройства..

5) Улучшения аэродинамики поступательного движения за счет придания формы каплевидности системе винта и потока, образующейся ориентацией струй Исходящих сопел ЦБН в точку фокусировки.

6) Уменьшения противодействия проблемы обратного хода винта ТВР классификации Д, применяемого в качестве Несущего винта, (далее - ТВР (Э180)) за счет внедрения в конструкцию всасывателя элемента втулки экранирования, предотвращающей забор воздуха в сегменте 180 градусов

7) Усиления требуемых термодинамических характеристик за счет применения каналов конфузорной формы, сдавливающих сужающих исходящий поток - для подогрева, и диффузорной формы, расширяющих поток – для охлаждения воздуха в тепловых машинах с роторами ТВР.

8) Возможностей отдельных особенностей, или всей совокупности преимуществ, применения различных модификаций и схем взаимодействия ОН и ЦБН в общей конструкции ТВР для получения максимального технического результата за счет применения и их компоновки в Модульно-винтовые, гибридно-совмещенные системы.

    3.  Все варианты прототипов ТВР, смоделированных и обсчитанных в программе ANSYS, показали :

1)      При использовании каналов правильной конфузорной формы (не превышающий коэфициент конфузорности в 50 % ) моделирование его вращения с частотой от 1500 до 10000 об/мин в радиально-осевом направлении под углом в 45 градусов по отношению к направлению набегающего потока, показало существенное увеличение скорости потока отбрасывания по сравнению со скоростью всасывания через канально-роторный нагнетатель. Установлена разница при 1500 об мин, диаметре РК 375 мм, и диаметре всасывателя 40мм, на входе - 4,39 м/сек на выходе 34,126 м/сек  в 7,7 раза! , при более высоких оборотах зафиксирована разница более чем в 9 раз! У осевого нагнетателя эта разница всего в 2 раза. У центробежного насоса коэффициент давления в диапазоне 0,5-1,5.

2)      Отсюда можно сделать вывод об определенных преимуществах именно конфузорно-канальной ротации ЦБН насоса при проектировании вариантов его взаимодействия с ОН, для получения более высокого технического результата в реализации различных принципиальных схемах иерархии взаимодействия этих отдельных конструктивных элементов в общей единой системе работы устройства ТВР.

4. Целесообразность применения лопастей, например, с боковым профилем линии изгиба по полусфере, продиктовано возможностью радикального повышения площади всасываемости за счет кривизны и придания объемности действия активной рабочей зоны устройства. Для правильного восприятия динамики, напомним, что вращающийся винт обладает проницаемостью – способностью пропускать через себя объемы воздуха. Представим ометаемую площадь не как плоскость круга с радиусом длины лопасти, а сферу, вращающуюся по оси параллельно набегающему потоку. Ось вращения расположена на точках 9 и 3 если представить окружность сферы в виде часового циферблата. Такая сфера делиться на две полусферы - фронтальная 1 и тыловая 2, линия деления лежит на точках 12 и 6.  Если всасывание потока через 1 полусферу (точка 9) понятна и оправдана, и этот процесс действует с плюсом для совершения поступательного прямолинейного движения, то подсос в тыловой части полусферы 2, можно рассматривать как отрицательный для движения в сторону набегающего потока, если соотношение наиболее активных по работоспособности зон входа и выхода будет критически не допустимым. Если посмотреть на вид сбоку, то окружность полусферы через которую проходит всасывание практически прямолинейно  составляет примерно 90 градусов. Для наиболее оптимального режима столько же,-  90 градусов, но с противоположной стороны сферы, должен составлять и осевой выброс, через оставшуюся часть, представляющую собой выпуклый кольцевой обод, и  равный 180 градусам всей сферы , воздух всасывается по угловой касательной не имеющей существенного тормозного эффекта со стороны тыловой полусферы. Если обычный винт имеет исключительно одно плоскостную (не объемную) картину фронтального вхождения и тылового выхода набегающего и отбрасываемого потока, ограниченную кольцом определенной ширины в районе середины радиуса круга площади ометания, то вращения полусферического винта ТВР  образует более сложные циркуляционные потоки еще и по осевой длине : диффузорного типа - по сферическо-спиральному расширяющему объему если концовки лопасти не выходят за пределы 1 фронтальной полусферы и лежат на точках 10.30 и 7.30,

 или конфузорного типа - по сферическому, коническому исходящему с точкой фокусирования ЦБН потока, с одновременным эжектированием и сжиманием им потока ОН, если концовки лопасти выходят за пределы 1 полусферы и лежат на точках 1 и 5 точки второй полусферы. 

         В такой модели работы сферического монолитного винта (без задействования каналов ЦБН) получается существенно расширенная область захвата потока, сектор всасывания - значительно большим, по сравнению с сектором всасывания обычного винта стандартного дизайна. Подтверждено результатами моделирования Сегмент всасывания 270 градусов!  В устройстве ТВР с применением углов ориентации ИС ЦБН в конический исходящий поток с точкой фокусирования (далее ТВР (Ф) выброс потоков ЦБН идет против вектора действия центробежных сил только на концевой части ротационного конфузорного канала, поэтому и изменение коэффициента давления – будет незначительным. Энергетическая мощность, сжатие, скорость общего отбрасываемого потока будет значительно выше, но что еще более ценное в такой системе взаимодействия ОН и ЦБН, -  появление дополнительного вектора подъемной силы направленного в сторону поступательного движения!