История импеллера-ликбез

Версия 09:33, 6 апреля 2021

статья-----автор Книжников ВВ

История создания импеллера началась в 1930-40 е годы, как попытка создания аэродинамического компрессора для первых турбореактивных двигателей !

Уже на заре авиации конструкторы столкнулись с интересной проблемой ---это эффективность заполнения ометаемого круга открытого винта (пропеллер) рабочим телом (воздух),который будет взаимодействовать с лопастями на приращение импульса!!! То есть при квадратном двухлопастном винте Hо/Dв=1 всего 1/2 площади волшебного круга работает на создание ускорения потока и значит тяги,остальная половина пролетает мимо---соотношение суммарной площади проекции лопастей к ометаемой называется коэф.перекрытия Kпер=nSлоп/Sомет и напрямую влияет на долю заполнения!!!

Тогда было принято интересное решение ---уменьшить диаметр винта в два раза заполнив перекрытием маленького круга большим кол-вом широких лопастей (6-8 штук) с тем же шагом---получился многолопастный винт с относительным шагом Hо/Dим=2, но чтобы на режиме стопа воздух не разбрасывало в стороны заключили в удерживающий поток плоский контур вокруг лопастей---винт в кольце!!!

Зная что открытый винт на стопе формирует воронку с площадью входного сечения(губа) в два раза больше выходного(горловина),которые находяться на расстоянии радиуса от винта спереди и радиусу сзади, ученые догадались крыльчатку заключить в воронко образный усечённый конус с входным диффузором и выходным соплом по правилу неразрывности потока, поставив после крыльчатки спремляющие закрученный поток неподвижные лопатки ---они же конструктивно поддерживают конус относительно винта с минимальным зазором !!!

Для улучшения КПД крыльчатки стали применять выпукловогнутый профиль лопастей ---так получился современный высокоэффективный импеллер (вентилятор) или одноступенчатый осевой компрессор!

КПДим=Кво Кзап=Кво Сулоп (Dим/Hо) (Кпер)0.5

По закону Ломоносова о сохранении массы----массовый расход воздуха неизменен от входа усеченного конуса до выхода,а скорость потока линейна возрастает с уменьшением площади текущего сечения и тогда скорость входная на диффузоре в два раза меньше скорости на выходе среза сопла!

dm/dt=constanta=pSвхVдиф=pSимVим=pSвыхVсопл, где Vим=(Vпол+Vсоп)/2

общее уравнение реактивного тяги для импеллера F=delta V(dm/dt)=(Vсоп-Vпол)pSим(Vсоп+Vпол)/2=0.5pSим(Vсоп2-Vпол2)---

Fпол=0.5pSимVсоп2(1-Куп2), где Куп=Vпол/Vсоп

общее уравнение мощности потока Рпот=0.25pSимVсоп3(1-Куп2)(1+Куп)

выходная скорость потока на стопе Vсоп=КсужVим=(Dим/Dсоп)2 Vим=1.41Vим и Vпол=0-----

тяга импеллера на стопе---- Fст=pSимVим2,

мощность потока на стопе--- Рст=pSимVим3=0.5pSсопVсоп3=0.5(dm/dt)Vпот2

Теория теплового резонанса в импеллере основана на предположении, что преобразование дополнительной кинетической мощности потока нагретого воздуха снятого с горячего двигателя после крыльчатки от звуковых ударных импульсов прохода лопасти мимо спремляющей лопатки на принципе аккустического резонанса стоячей волны, где в зоне пониженного давления снимается тепло с рубашки охлаждения мотора на длине полуволны частоты схлопывания и на полуторе длины звуковой волны на срезе сопла в зоне разряжения происходит добавочное ускорение потока! Чтобы потерянная тепловая мощность на двигателе,как потенциальная дополнительно переходит в кинетическую, есть все условия -----

1) запирающий осевой воздушный компрессор низкого давления на базе одноступенчатой многолоп. крыльчатки

2) генератор высокочастотных звуковых импульсов на базе спрямляющего аппарата,создающий пучность!

3) источник механической и тепловой энергии воздушного потока на базе мотора

4) теплосъёмник в зоне разряжения 0.5 длины звуковой волны и срез сопла в зоне разряжения в 1.5 лямбда!

Математика следующая----частота схлопываний это произведение частоты вращения импеллера на кол-во пересечений лопастями спремляющих лопаток за один оборот ----например четыре лопасти и три лопатки дают 4х3=12 пересечений,тогда при вращении в 500 обортов в секунду будет 6000 гц или 6 кгц звукового воя с длиной волны, как соотношение скорости звука плюс скорость потока в трубе к частоте высокого тона (330м/с+ 60м/с3/6000гц=0.065м=65мм, значит на 1.5 длин волны можно поставить срез сопла от зоны схлопывания -----то есть 98мм!

При этом сильно снижается звуковой шум от су----получается шипяще-свистящий тон, а не рычащий вой!

Далее все по закону термодинамики адиабатического процесса---в зоне разряжения давления происходит ускорение потока с его охлаждением и на выходе прирост тяги на 5-10% у импеллера с электроприводом на эффекте теплового резонанса по сравнению с холодным! чем больше тепловая отдача или мощность потерь тем сильнее прирост -----особенно это заметно на приводе от поршневого двухтактного двс,где тепловые потери доходят до 70-80% от полной энергии сжигания топлива в кислороде воздуха!

Ведущие производители турбовинтиляторных су уже используют этот принцип для повышения тяги и кпд импеллеров и турбин---- это хорошо видно по маленькому шуму и чистому выхлопу от современных реактивных самолётов!