Войти
Циклоторотор перед установкой на маломасштабный циклогир A циклотор, циклоидальный ротор, циклоидный пропеллер или циклогиро, представляет собой гидравлическое движущее устройство, которое преобразует мощность вала в ускорение жидкости с помощью оси вращения, перпендикулярной направлению движения жидкости. Он использует несколько лопастей с осью размаха, параллельной оси вращения и перпендикулярной направлению движения жидкости. Эти лопасти циклически наклоняются дважды за оборот для создания силы (тяги или подъема ) в любом направлении, перпендикулярном оси вращения. Циклорные двигатели используются для движения, подъема и управления воздушными и водными транспортными средствами. Самолет, в котором в качестве основного источника подъемной силы, тяги и управления используются циклорные двигатели, известен как a. Запатентованное приложение, используемое на судах с конкретными исполнительными механизмами, как механическими, так и гидравлическими, названо в честь немецкой компании Voith Turbo GMBH, которая их производит: Циклоидные гребные винты Voith – Schneider.
Циклоротор создает тягу за счет изменения шага лопасти, когда она проходит вокруг ротора. Циклоторы создают тягу за счет комбинированного действия вращение фиксированной точки лопастей вокруг центра и колебание n лезвий, который со временем меняет свой угол атаки. Совместное действие продвижения, производимого орбитальным движением и изменением угла тангажа, создает более высокую тягу на низкой скорости, чем любой другой гребной винт. В режиме зависания лопасти приводятся в действие с положительным шагом (наружу от центра ротора) на верхней половине их оборота и отрицательным шагом (внутрь к оси вращения) на нижней половине, вызывая чистая аэродинамическая сила, направленная вверх, и противоположная жидкость , промывающая вниз. Изменяя фазу этого шагового движения, сила может быть сдвинута на любой перпендикулярный угол или даже вниз. Перед срывом лопасти увеличение амплитуды кинематики качки приведет к увеличению тяги.
Ротоциклоидный пропеллер возник в России и относится к области авиации. Самолет Сверчкова (Санкт-Петербург, 1909 г.), или «колесный ортоптер», был первым транспортным средством, которое, как предполагалось, явно использовало этот тип движителя. По схеме он приближался к циклогирю, но точно классифицировать его сложно. Он имел три плоские поверхности и руль направления; задний край одной из поверхностей мог загибаться, заменяя действие лифта. Подъем и тяга должны были создаваться гребными колесами, состоящими из 12 лопастей, установленных попарно под углом 120 °. Лопасти вогнутой формы изменяли угол падения с помощью эксцентриков и пружин. В днище корабля располагался двигатель мощностью 10 л.с. Передача обеспечивалась ремнем. Масса пустого составляла около 200 кг. «Самолет» построил военный инженер Э.П. Сверчков на гранты Главного машиностроительного управления в Петербурге в 1909 году демонстрировался на выставке новейших изобретений и был удостоен медали. В противном случае он не смог бы пройти предварительные испытания без полета.
В 1914 году русский изобретатель и ученый А.Н. Лодыгин обратился к правительству России с проектом циклогироподобного самолета, схема его была похожа на сверчковский «Самолет». Проект не реализован.
В 1933 году эксперименты в Германии, проведенные Адольфом Рорбахом, привели к созданию крыла с крыльчаткой. Колеблющиеся крылышки меняли угол атаки с положительного на отрицательный во время каждого оборота, чтобы создать подъемную силу, и их эксцентричная установка теоретически создавала бы практически любую комбинацию горизонтальных и вертикальных сил. DVL оценил дизайн Рорбаха, но иностранные авиационные журналы того времени ставили под сомнение надежность конструкции, что означало, что финансирование проекта не могло быть привлечено, даже с последним предложением в качестве транспортного самолета Люфтваффе. Кажется, нет никаких доказательств того, что эта конструкция когда-либо была построена, не говоря уже о том, чтобы летать. Однако, основываясь на исследованиях гребного колеса Рорбаха, Платт в США к 1933 году разработал свой собственный независимый циклогир. Его крыльчатая конструкция с крыльчаткой была отмечена патентом США (который был лишь одним из множества аналогичных патентов в досье) и прошел обширные испытания в аэродинамической трубе Массачусетского технологического института в 1927 году. Несмотря на это, нет никаких доказательств того, что самолет Платта когда-либо был построен.
Первый действующий циклоидный движитель был разработан в Voith. Его истоки восходят к решению компании Voith сосредоточиться на производстве узлов трансмиссионных шестерен для турбин. В основе знаменитого пропеллера Войта лежало ноу-хау в области гидродинамики, полученное в ходе предыдущих проектов турбин. Он был изобретен Эрнстом Шнайдером и усовершенствован компанией Voith. Спущен на воду под названием Voith-Schneider Propeller (VSP) для коммерческих судов. Этот новый морской двигатель может значительно улучшить маневренность корабля, что продемонстрировали успешные ходовые испытания на испытательном катере Torqueo в 1937 году. Первые гребные винты Voith Schneider были введены в эксплуатацию в узких каналах Венеции, Италия. Во время Всемирной выставки 1937 года в Париже компания Voith трижды получала главный приз за выставку гребных винтов Voith Schneider и турбо-трансмиссий Voith. Через год два пожарных катера Парижа начали работать с новой системой ВСП.
Циклорные двигатели обеспечивают высокую степень управляемости. Традиционные винты , роторы и реактивные двигатели создают тягу только вдоль своей оси вращения и требуют вращения всего устройства для изменения направления тяги. Это вращение требует больших усилий и сравнительно длительных временных масштабов, поскольку инерция воздушного винта значительна, а гироскопические силы ротора препятствуют вращению. Для многих практических приложений (вертолеты, самолеты, корабли) это требует вращения всего судна. В отличие от них, для циклорных двигателей требуется только изменение шага лопастей. Поскольку с изменением шага лопастей связана небольшая инерция, вектор тяги в плоскости, перпендикулярной оси вращения, происходит быстро.
Циклоторные двигатели могут быстро управлять вектором тяги, изменяя характер наклона лопастей. Циклоторы могут создавать подъемную силу и тягу при высоких передаточных числах, которые теоретически позволили бы самолету-циклогиру летать на дозвуковых скоростях, значительно превышающих таковые у одновинтовых вертолетов. Вертолеты с одним ротором ограничены в скорости движения из-за комбинации срыва лопастей и акустических ограничений по концам лопастей. Когда вертолет летит вперед, кончик движущейся лопасти испытывает скорость ветра, которая складывается из скорости движения вертолета и скорости вращения винта. Это значение не может превышать скорость звука, если ротор должен быть эффективным и тихим. Снижение скорости вращения ротора позволяет избежать этой проблемы, но представляет собой другую. В традиционном методе композиции скорости легко понять, что скорость, которую испытывает отступающая лопасть, имеет значение, которое создается векторной композицией скорости вращения лопасти и скорости набегающего потока. В этом состоянии очевидно, что при достаточно высоком передаточном числе скорость воздуха на отступающей лопасти мала. Маховое движение клинка изменяет угол атаки. Тогда возможно, что отвал достигнет состояния остановки. В этом случае необходимо, чтобы блокирующий отвал увеличивал угол наклона для сохранения некоторой подъемной способности. Этот риск накладывает ограничения на дизайн системы. Необходим точный выбор профиля крыла и тщательный расчет радиуса ротора для указанного диапазона скоростей. Низкоскоростные циклорные двигатели обходят эту проблему за счет горизонтальной оси вращения и работы со сравнительно низкой скоростью конца лезвия. Для более высоких скоростей, которые могут оказаться необходимыми для промышленных приложений, кажется необходимым принять более сложные стратегии и решения. Решением является независимое приведение в действие лопастей, которые были недавно запатентованы и успешно протестированы для использования на море с использованием гидравлической системы привода. Горизонтальная ось вращения всегда обеспечивает продвижение верхних лопастей, которые всегда создают положительный подъем всего ротора. Эти характеристики могут помочь преодолеть две проблемы вертолетов: их низкая энергоэффективность и ограничение передаточного числа.
Продвижение лопастей и колебания - это два динамических воздействия, которые производятся велосипедный двигатель. Очевидно, что крыло-лопасти велосипедного двигателя работает иначе, чем крыло традиционного самолета или крыла традиционного вертолета. Лопасти велосипедного двигателя колеблются, вращаясь вокруг точки, вращение которой описывает идеальную окружность. Комбинация движения вперед центра вращения лопасти и колебания лопасти (это движение в некотором роде похоже на маятник), которые продолжают изменять свой шаг, порождают сложный набор аэродинамических явлений:
Эти два эффекта, очевидно, коррелируют с общим увеличением создаваемой тяги. Если сравнивать с вертолетом или любым другим пропеллером, очевидно, что одна и та же секция лопасти в ротоциклоиде дает гораздо большую тягу при том же числе Рейнольдса. Этот эффект можно объяснить, рассматривая традиционное поведение пропеллера.
При малых числах Рейнольдса турбулентность и условия ламинарного потока могут быть достигнуты. Учитывая традиционный профиль крыла, очевидно, что эти условия сводят к минимуму разницу скоростей между верхней и нижней поверхностью крыла. Тогда очевидно, что скорость подъема и сваливания снижаются. Следствием этого является уменьшение угла крепления, при котором достигаются условия сваливания.
В этом режиме обычные гребные винты и роторы должны использовать большую площадь лопастей и вращаться быстрее, чтобы достичь тех же движущих сил и потерять больше энергии на сопротивление лопастям. Тогда становится очевидным, что циклоторный двигатель намного более энергоэффективен, чем любой другой пропеллер.
Настоящие циклорные двигатели обходят эту проблему, быстро увеличивая, а затем уменьшая угол атаки лопастей, что временно замедляет остановку и обеспечивает высокий коэффициент подъемной силы. Это делает велосипедные двигатели более эффективными при малых масштабах, малых скоростях и больших высотах, чем традиционные гребные винты. В остальном очевидно, что многие живые существа по-прежнему намного более эффективны, потому что они могут изменять не только высоту звука, но и форму своих крыльев, например птицы и некоторых насекомых, или они могут изменять свойства пограничного слоя, такие как акулья кожа.
Некоторые исследования пытаются достичь того же уровня эффективности, что и естественные образцы крыльев или поверхностей. Одним из направлений является введение концепции морфинга крыла. Другой относится к внедрению механизмов управления пограничным слоем, таких как диэлектрический барьерный разряд.
Во время экспериментальной оценки циклороторы производили небольшой аэродинамический шум. Вероятно, это связано с более низкими скоростями острия лопастей, что приводит к более низкой интенсивности турбулентности вслед за лопастями.
В небольших испытаниях циклорные двигатели показали более высокую силовую нагрузку, чем традиционные роторы сопоставимого масштаба при той же загрузке диска. Это связано с использованием неустойчивой подъемной силы и постоянных аэродинамических условий лопасти. Вращательная составляющая скорости на гребных винтах увеличивается от основания к вершине и требует изменения хорды лопасти, скручивания, профиля и т. Д. Вдоль лопасти. Так как оболочка cyclorotor лезвия параллельно оси вращения, каждая секция размаху лопасти работает при аналогичных скоростях и все лезвие может быть оптимизировано.
Cyclorotor ножи требуют опорной конструкции для их позиционирование параллельно оси вращения ротора. Эта конструкция, которую иногда называют «спицами», увеличивает сопротивление паразита и вес ротора. Лопатки циклоротора также подвергаются центробежной нагрузке при изгибе (в отличие от осевой нагрузки на гребные винты), что требует наличия лопастей с чрезвычайно высоким отношением прочности к весу или промежуточных опорных спиц. Начало 20-го века cyclorotors признаки коротких пролетов лезвия или дополнительная опорная конструкция, чтобы обойти эту проблему.
Cyclorotors требует постоянно приводится в действие лезвия шага. Относительный угол потока, испытываемый лопастями при их вращении вокруг ротора, существенно меняется в зависимости от передаточного числа и тяги ротора. Для наиболее эффективной работы механизм шага лопастей должен регулировать эти различные углы потока. Высокие скорости вращения затрудняют реализацию механизма на основе привода, который требует наличия гусеницы фиксированной или переменной формы для управления шагом, установленной параллельно траектории лопасти, на которую помещаются следящие элементы лопасти, такие как ролики или воздушные подушки - форма траектории управления шагом надежно определяет шаг лопасти по орбите независимо от числа оборотов лопасти. Хотя качки, используемые при висении, не оптимизированы для полета вперед, при экспериментальной оценке было обнаружено, что они обеспечивают эффективный полет с коэффициентом опережения, близким к единице.
Ветряные турбины - это потенциальное применение циклорных двигателей. В данном случае они названы ветряными турбинами с вертикальной осью переменного шага, что дает большие преимущества по сравнению с традиционными VAWT. Этот вид турбины говорится преодолеть большинство традиционных ограничений традиционных Дарье VAWTs.
Твин Voith Schneider пропеллер с упорной пластиной на буксира корпуса Наиболее широкое применение Циклорные двигатели предназначены для движения и управления судном. На кораблях циклоротор установлен с вертикальной осью вращения, так что тяга может быстро изменяться в любом направлении, параллельном плоскости водной поверхности. В 1922 году в Вашингтоне установил пару велосипедных двигателей на 32-футовую лодку, что устранило необходимость в руле и обеспечило исключительную маневренность. В то время как эта идея потерпела неудачу в Соединенных Штатах после того, как компания Kirsten-Boeing Propeller Company лишилась гранта на исследования ВМС США, компания Voith-Schneider, производящая винты, успешно использовала винт в коммерческих целях. Этот гребной винт Voith-Schneider был установлен на более чем 100 кораблях до начала Второй мировой войны. Сегодня эта же компания продает такой же гребной винт для высокоманевренного плавсредства. Он применяется на морских буровых судах, буксирах и паромах.
Концептуальный чертеж циклогира A cyclogyro - это самолет с вертикальным взлетом и посадкой, использующий велосипедный двигатель как крыло ротора для подъемной силы, а также часто для движения и управления. Достижения в области аэродинамики циклоторных двигателей сделали возможным первый полет модели непривязанного циклогира в 2011 году в Северо-Западном политехническом институте в Китае. С тех пор университеты и компании успешно управляют маломасштабными циклогирами в нескольких конфигурациях.
Характеристики традиционных роторов сильно ухудшаются при низких числах Рейнольдса из-за закрывания лопастей из-за малого угла атаки. Современные летательные аппараты MAV с функцией парения могут оставаться в воздухе всего несколько минут. Циклороторные MAV (очень мелкие циклогиры) могут использовать неустойчивую подъемную силу для увеличения выносливости. Самый маленький циклогир на сегодняшний день весит всего 29 граммов и был разработан передовой лабораторией вертикального полета Техасского университета AM.
Коммерческий циклогир БПЛА разрабатывают D-Daelus и Pitch Aeronautics.
Большая открытая площадь делает дирижабли уязвимыми для порывов ветра и затрудняет взлет, посадку или швартовку в ветреную погоду. Приведение в движение дирижаблей с циклорными двигателями могло бы позволить полет в более суровых атмосферных условиях за счет компенсации порывов ветра за счет быстрого изменения вектора тяги. Следуя этой идее, ВМС США всерьез рассмотрели возможность установки шести примитивных велосипедных двигателей Кирстен-Боинг на дирижабль USS Shenandoah. Шенандоа потерпел крушение 3 сентября 1925 года при прохождении линии шквала до любой возможной установки и испытаний. С тех пор никаких крупномасштабных испытаний не проводилось, но 20-метровый дирижабль с циклоторным двигателем продемонстрировал улучшенные характеристики по сравнению с традиционной конфигурацией дирижабля в ходе испытаний.
