Канальный вентилятор

В аэронавтике канальный вентилятор создающий тягу, представляет собой механический вентилятор или пропеллер, установленный внутри цилиндрического воздуховода или кожуха. Другие термины включают пропеллер с воздуховодом или пропеллер с кожухом . ^{[ 1 ]} При использовании при вертикальном взлете и посадке. ( ВВП ) он также известен как ротор с кожухом . ^{[ 2 ]}

Канальные вентиляторы используются для приведения в движение или прямого подъема во многих типах транспортных средств, включая самолеты , дирижабли , суда на воздушной подушке и самолеты вертикального взлета и посадки с механической подъемной силой . Турбореактивные двигатели с большим двухконтурным режимом, используемые на многих современных авиалайнерах, являются примером очень успешного и популярного использования конструкции канального вентилятора.

В большинстве случаев воздуховод увеличивает эффективность тяги до 90% по сравнению с гребным винтом аналогичного размера на открытом воздухе. Канальные вентиляторы тише и предлагают хорошие возможности для изменения вектора тяги. Кожух обеспечивает хорошую защиту наземного персонала от случайного контакта с вращающимися лопастями, а также защищает сами лопасти от внешнего мусора или предметов. Изменяя поперечное сечение воздуховода, проектировщик может выгодно влиять на скорость и давление воздушного потока в соответствии с принципом Бернулли .

К недостаткам относятся увеличенный вес из-за дополнительной конструкции кожуха, необходимость соблюдения точных допусков между кончиками лопастей и кожухом, необходимость лучшего контроля вибрации по сравнению с гребными винтами, работающими в свободном воздухе, а также сложные требования к конструкции воздуховодов. Наконец, при больших углах атаки кожух может заглохнуть и вызвать высокое сопротивление.

Дизайн

Канальный вентилятор состоит из трех основных компонентов; вентилятор или пропеллер, обеспечивающий тягу или подъемную силу, воздуховод или кожух, окружающий вентилятор, а также двигатель или электродвигатель, приводящий вентилятор в действие.

Вентилятор

Как и любой другой вентилятор, пропеллер или ротор, канальный вентилятор характеризуется количеством лопастей. У Rhein Flugzeugbau (RFB) SG 85 было три лопасти, а у Dowty Rotol Ducted Propulsor - семь. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Лопасти могут иметь фиксированный или переменный шаг.

воздуховод

Воздуховод или кожух представляет собой аэродинамическое кольцо, которое окружает вентилятор и плотно прилегает к кончикам лопастей. Он должен быть достаточно жестким, чтобы не деформироваться при полетных нагрузках и не задевать лопасти при их повороте. Воздуховод выполняет несколько функций:

В основном это уменьшает вихри, создаваемые воздухом, обтекающим концы лопастей. Это уменьшает аэродинамические потери или сопротивление, тем самым увеличивая общую эффективность вентилятора. По этой причине вентилятор можно либо использовать для обеспечения повышенной тяги и летно-технических характеристик самолета, либо сделать его меньше, чем эквивалентный свободный винт.

Он обеспечивает акустическую защиту, которая вместе с меньшими энергозатратами значительно снижает уровень шума от гребного винта. ^{[ 4 ]}

Он действует как защитное устройство, защищая как объекты, такие как наземный персонал, от ударов вращающимися лопастями, так и защищая лопасти от повреждений во время такого удара.

Уменьшение концевых вихрей также означает, что след вентилятора менее турбулентный. При тщательном проектировании нагретый выброс из системы охлаждения двигателя можно впрыскивать в след вентилятора с низкой турбулентностью для увеличения тяги. ^{[ 4 ]}

Силовая установка

Канальный вентилятор может приводиться в действие любым двигателем, способным вращать вентилятор. Примеры включают поршневые, роторные (Ванкеля) и турбовальные двигатели внутреннего сгорания, а также электродвигатели.

Вентилятор может быть установлен непосредственно на выходном валу силовой установки или приводиться дистанционно через удлиненный приводной вал и зубчатую передачу. При удаленном расположении несколько вентиляторов могут приводиться в действие одной силовой установкой.

Канальная двигательная установка

Сборка, спроектированная как единый интегрированный блок, называется блоком вентилятора или канальным движителем. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Преимущество модульного подхода заключается в том, что конструкция каждого компонента может быть согласована с другими, что помогает максимизировать производительность и минимизировать вес. Это также облегчает задачу проектировщика транспортного средства по интеграции с автомобилем и его системами.

Ограничения

Хорошая эффективность требует очень небольших зазоров между кончиками лопаток и воздуховодом.
Преимущества в эффективности уменьшаются и даже могут быть обращены вспять при более низких скоростях вращения, уровнях тяги и воздушных скоростях.
Требует пониженного уровня вибрации по сравнению со свободным гребным винтом или ротором.
Сложная конструкция воздуховодов и увеличение веса, даже если они изготовлены из современных композитов.
При большом угле атаки части воздуховода останавливаются и создают аэродинамическое сопротивление . ^{[ 5 ]}

Приложения

В самолетах рабочая скорость винта без кожуха ограничена, поскольку скорость законцовки приближается к звуковому барьеру на более низких скоростях, чем у эквивалентного канального вентилятора. Наиболее распространенной системой канального вентилятора, используемой в полноразмерных самолетах, является турбовентиляторный двигатель, в котором мощность для вращения вентилятора обеспечивается газовой турбиной . ТРДД с высокой степенью двухконтурности используются почти на всех гражданских авиалайнерах , в то время как военные истребители обычно используют лучшие высокоскоростные характеристики ТРДД с низкой степенью двухконтурности и меньшим диаметром вентилятора. Однако канальный вентилятор может приводиться в действие любым источником мощности на валу, например, поршневым двигателем , двигателем Ванкеля или электродвигателем . Разновидность канального вентилятора, известная как Fantail или под торговым названием Fenestron , также используется для замены рулевых винтов на вертолетах .

Канальные вентиляторы предпочитаются в самолетах вертикального взлета и посадки , таких как Lockheed Martin F-35 Lightning II , и других низкоскоростных конструкциях, таких как суда на воздушной подушке , из-за их более высокой удельной мощности.

В некоторых случаях ротор с кожухом может быть на 94% более эффективным, чем открытый ротор. Улучшение характеристик обусловлено главным образом тем, что выходящий поток менее сжимается и, следовательно, несет больше кинетической энергии. ^{[ 6 ]}

Среди любителей авиамоделизма канальный вентилятор популярен среди производителей высокопроизводительных радиоуправляемых моделей самолетов . Двигатели со свечами накаливания в сочетании с канальными вентиляторами были первым возможным средством моделирования реактивного самолета в масштабе. Несмотря на появление турбореактивных двигателей модельного масштаба, канальные вентиляторы с электрическим приводом остаются популярными на меньших по размеру и недорогих моделях самолетов. Некоторые самолеты с канальным вентилятором с электрическим приводом могут развивать скорость более 320 км/ч (200 миль в час).

Большинство охлаждающих вентиляторов, используемых в компьютерах, содержат воздуховод, встроенный в блок вентиляторов; воздуховод также используется для механического крепления вентилятора к другим компонентам.

См. также

турбовентиляторный двигатель с редуктором (разновидность реактивного двигателя)
Канальный гребной винт (в морском применении)
RFB Fantrainer (пример самолета с канальным вентилятором)
Avian Gyroplane (пример автожира с канальным вентилятором )

Ссылки

^ Анита И. Абрего и Роберт В. Булага; « Исследование производительности канальной вентиляторной системы », НАСА, 2002 г.
^ Котвани, Кайлас; « Аэродинамика канального вентилятора или закрытого ротора и ее применение в миниатюрных летательных аппаратах вертикального взлета и посадки », 2009 г. (получено 22 марта 2022 г.).
^ Jump up to: ^а ^б Jane's All the World's Aircraft 1980-81 , Jane's, 1980. стр.704.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Jane's All the World's Aircraft 1980-81 , Jane's, 1980. стр.725.
^ «Джон Лонгботтом - Механическая аэронавтика, диссертация в формате PDF» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 января 2014 г. Проверено 2 января 2014 г.
^ Перейра, Джейсон Л. Ховер и испытания экранированных роторов в аэродинамической трубе для улучшения конструкции микровоздушного транспорта p147+p11. Университет Мэриленда , 2008 г. По состоянию на 28 августа 2015 г.

[1] Анита И. Абрего и Роберт В. Булага; « Исследование производительности канальной вентиляторной системы », НАСА, 2002 г.

[kotwani-2] Котвани, Кайлас; « Аэродинамика канального вентилятора или закрытого ротора и ее применение в миниатюрных летательных аппаратах вертикального взлета и посадки », 2009 г. (получено 22 марта 2022 г.).

[jane1980r-3] Jump up to: ^а ^б Jane's All the World's Aircraft 1980-81 , Jane's, 1980. стр.704.

[jane1980d-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Jane's All the World's Aircraft 1980-81 , Jane's, 1980. стр.725.

[5] «Джон Лонгботтом - Механическая аэронавтика, диссертация в формате PDF» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 января 2014 г. Проверено 2 января 2014 г.

[Pereira-6] Перейра, Джейсон Л. Ховер и испытания экранированных роторов в аэродинамической трубе для улучшения конструкции микровоздушного транспорта p147+p11. Университет Мэриленда , 2008 г. По состоянию на 28 августа 2015 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]