Ducted fan

[Dan B-Yallay]

Возник вопрос после просмотра роликов про использование "капотированного" вентилятора в авиамоделировании и даже в реальных самолётах Airbus E-Fan, RFB FanTrainer:

Video:
Airbus E-Fan
RFB FanTrainer

Сам вопрос: почему не применяется каскадирование?

Вложение:

cascade.jpg [ 27.24 Кб | Просмотров: 0 ]

Своим непосвященным взглядом оценить выгоду и затраты на получение этой выгоды не получается. Может кто в теме?

Собственные попытки решения:
Пробовал искать информацию, но не знаю как. Гуглинг по фразе "cascade ducted fan" даёт лишь следующее:
https://www.google.com/search?q=cascade ... 8&oe=utf-8

[amon]

Dan B-Yallay в сообщении #1193260 писал(а):

Может кто в теме?

Не то, что бы уж очень в теме, но.. То, что Вы нарисовали - схема турбины турбореактивного двигателя. В ней бывает до 12 (а может уже и больше) ступеней компрессии. Задача - "разогнать" воздух и создать реактивную тягу. Такая схема для электрического самолета, IMHO, не годится - КПД мал, а запаса электричества небогато. Дело в том, что КПД винта можно оценить по формуле $\nu=\frac{1}{1+\frac{\Delta V}{2V}}$, где $V$ - скорость набегающего на винт потока, а $\Delta V$ - приращение скорости потока за винтом. По этой причине реактивные (в том числе, водометные) движители менее эффективны, чем винты, а в авиации тихой сапой переходят к турбовентиляторным двигателям. КПД воздушного винта на умеренных скоростях достигает 90%. Беда в том, что он перестает работать эффективно на больших скоростях.

[Dan B-Yallay]

amon
Попробую по пунктам:

amon в сообщении #1193274 писал(а):

То, что Вы нарисовали - схема турбины турбореактивного двигателя. В ней бывает до 12 (а может уже и больше) ступеней компрессии.

Согласен, очень похоже, но... Дело в том, что я не предлагаю сжимать воздух. Условимся, что площадь входного сопла втрое больше выходного. Тогда на первой ступени вентилятор просто загоняет воздух в камеру 1, откуда второй вентилятор (возможно, вращающийся независимо от первого) эту же массу воздуха просто переносит с увеличенной скоростью - из за уменьшения площади сечения воздушного потока - в камеру 2. Третий вентилятор проделывает то же самое на третьей ступени и выплёвывает воздушную массу с втрое большей скоростью назад и соответственно, весь двигатель даёт втрое больший импульс, нежели если бы был лишь один вентилятор. Я не вижу, где возникает компрессия, скажем 30/45:1, сравнимая с ТРД.

amon в сообщении #1193274 писал(а):

Такая схема для электрического самолета, IMHO, не годится - КПД мал, а запаса электричества небогато.

Так можно всё это подцепить к ДВС, как и сделано в RFB Fantrainer. Собственно, почему бы не каскадировать хотя бы и на нём? Была бы тогда крейсерская скорость скажем 350-400 км/ч, вместо 230 сейчас.

Насчёт эффективности винта (Вы про эффект запирания?) и реактивных движителей пока ничего сказать не могу, не в теме.

[amon]

Dan B-Yallay в сообщении #1193289 писал(а):

Была бы тогда крейсерская скорость скажем 350-400 км/ч

Дык для такой скорости ничего каскадировать не надо. Обычный двухлопастной (а еще лучше - однолопастной, но его сделать сложнее) винт прекрасно справляется имея КПД около 90%. Только мощность двигателя должна быть соответствующая (сейчас наизусть не вспомню какая). Тяга нужна на взлете и при маневрах (истребитель), а в нормальном полете пассажирского самолета на первое место выходит экономия топлива. Наиболее эффективен медленно вращающийся винт большого диаметра, который создает ту же тягу минимальным образом разгоняя воздух (или воду) за счет увеличения ее массы.

[Dan B-Yallay]

amon в сообщении #1193328 писал(а):

Дык для такой скорости ничего каскадировать не надо. Обычный двухлопастной (а еще лучше - однолопастной, но его сделать сложнее) винт прекрасно справляется имея КПД около 90%.

Согласен, есть например самолёт Ту-95 который на пропеллерах разгоняется до 900 км/час с крейсерской 830-880. А это практически скорость современных пассажирских джет лайнеров. Но дело еще и в шуме. Закрытый винт существенно тише.

Вот тут перечень преимуществ и недостатков закрытого винта согласно Вики:

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Ducted_fan#Advantages

Цитата:

- By reducing propeller blade tip losses, the ducted fan is more efficient in producing thrust than a conventional propeller of similar diameter, especially at low speed and high static thrust level (airships, hovercraft).

- By sizing the ductwork appropriately, the designer can adjust the fan to allow it to operate more efficiently at higher air speeds than a propeller would.

То есть закрытый винт при тех же размерах можно сделать более эффективным. Вопрос только -какой ценой.

[Dan B-Yallay]

Интересная разработка из России: PJ-II Dreamer
Внешний вид сделан под "среднестатистический истребитель 4-го поколения" и напоминает одновременно Миг-29,, Як-130 / Alenia Aermacchi M-346, американский F-15 и корейский T-50.
Используется автомобильный двигатель от Шевроле который питает 2 вентилятора. То есть вместо одного большого винта или каскада, используются 2 меньшего диаметра.
Разработка свежая и уже была показана на авиашоу в США. Американцы любят такие fighter-look alike частные самолёты. А кто их не любит?

Хочется пожелать удачи проекту и разработчикам.

(Offtop 1)

Видео аналогичных истребитель-подобных проектов, которые массово не взлетели по разным причинам:

BD-5
Изначально поставлялся в винтом в толкающем расположении за хвостом, но была также модификация с минитурбиной тягой в ~100 кгс. Можно было не просто летать, но и аэробатику крутить.

BD-10
Конструктор "собери сам", как и предыдущий BD-5 и российский "истребитель". Проект похоронен как опасный, вместе с парой лётчиков-испытателей, которые погибли на тестах.

(Offtop 2)

Проекты самолётов, использующих закапотированные в кольцо вентилятор:

1) Rohr 2-175. Проект заглох по финансовым причинам.

http://massflow.archivale.com/2_175.htm писал(а):

So what happened? Rohr got into financial trouble with other projects and the Two was a victim of the ensuing corporate belt-tightening. Reusable equipment was salvaged from the airframes and they were destroyed, as was every speck of technical documentation. The plane lives on only in Walt's collection of color alides, a few 3-views and memory.

Непонятно, зачем было уничтожать техническую документацию.

2) RFB/Grumman American Fanliner
Проект закрыт, так как фирма решила не распылять силы и бросить их на RFB FanTrainer, ссылку на который я уже давал ранее.

3) UL-39 Albi Кстати. тоже недавняя разработка.
Уменьшенная копия учебно-тренировочного чешского самолёта Л-39.

[amon]

Dan B-Yallay в сообщении #1193404 писал(а):

То есть закрытый винт при тех же размерах можно сделать более эффективным. Вопрос только -какой ценой.

Насколько я помню (давно не в теме, может что и изменилось) капотированные пропеллеры применяются в трех случаях
- Надо хоть как-то защитить праздношатающихся от попадания под лопасть (аэролодки и аэросани, суда на воздушной подушке)
- Подруливающие винты на кораблях и тех же судах на воздушной подушке
- Винты со сверхзвуковым обтеканием лопастей (турбовентиляторные двигатели)
Примерно это в Вики и написано. В крейсерском режиме на сильно дозвуковых скоростях при достаточно низкооборотном двигателе (не турбине) открытый винт эффективнее. По этой причине на Ту 95, которому лететь далеко, долго, и неизвестно долетит ли, стоят открытые винты и редукторы, снижающие обороты турбины.

[Dan B-Yallay]

amon в сообщении #1196434 писал(а):

- Винты со сверхзвуковым обтеканием лопастей (турбовентиляторные двигатели)

Вот-вот, у меня теперь в полупустой голове роется мысль: а что если отказаться от турбины, взять ДВС помощнее и раскрутить винты через мультипликатор (повышающую передачу?) до "сверхзвука"? И если верить слухам (слух номер 1, слух номер 2 ), в современных турбовентиляторах до 75-85% тяги обеспечивается именно вентилятором, то наверное проигрыш в мощности/тяге будет не таким уже драматичным.

Плюсы ДВС, какие вижу я как неспециалист:

1) существенно дешевле;
2) в целом экономичнее, нежели турбины;
3) проще в изготовлении/эксплуатации/обслуживании/ремонте;
4) __________ подставить своё.

В качестве применения можно указать те же самые учебно-тренировочные самолёты, которых уже 4 штуки в этой теме. Что касается "лететь далеко и долго", тут у них разнобой: на PJ II заявляется скорость 350-400 км/ч и дальность полёта в 1300 км, RFB Fantrainer - 1037 километров. Довольно прилично, по сравнению с тем же UL-39 Albi с их крейсерской скоростью 200 км/ч и длительностью полёта максимум 2 часа.

То есть, я не думаю, что капотированные (каскадом или нет) вентиляторы найдут применение в коммерческих проектах. Но для любителей персональной авиации, тренировочных полётов и аэрошоу - почему бы и нет? Там экономичность/эффективность стоит не на первом месте. Скорее внешний вид, стремительные формы-линии и т.д. В качестве подтверждения: на аэрошоу тот же BD-5 в варианте с микротурбиной, скоростью под 500км/ч и дальностью полёта всего 370 км пользуется не меньшей (если не большей) популярностью, нежели пропеллерный с 70-сильным ДВС, скоростью 370 км/ч и дальностью полёта в 1500 км (в четыре раза дальше).

2013 New Garden Airshow - FLS Microjet

[amon]

Dan B-Yallay в сообщении #1196439 писал(а):

взять ДВС помощнее и раскрутить винты через мультипликатор (повышающую передачу?) до "сверхзвука"?

В этом случае еще можно вспомнить двигатель Ванкеля. В автомобилях он так и не прижился (по экологи, как я понимаю), к большой винтомоторной авиации припозднился, а в малой должен быть в самый раз.

Касательно разницы винт-турбина пришла в голову такая аналогия. Винт является аналогом колеса. У автомобиля на умеренных скоростях двигатель крутит колеса. При этом тяга на колесе небольшая - порядка десятков кГс, и что бы быстро разогнаться приходится ставить коробки передач, и еще всячески извращаться. При этом от схемы с прямым приводом на колеса на умеренных скоростях ни кто не думает отказываться, хотя тяга реактивного двигателя примерно такого же размера превышает тягу на колесах на порядок (разгон самолета по полосе при взлете все ощущали). Причина - неэкономичность, и трудности с поисками пешеходов, сбитых реактивной струей. Только когда колесо перестает эффективно работать (что характерно, скорости примерно те же - 600 километров в час), начинается область, где реактивный двигатель становится эффективным что в авиации, что в автоспорте.

Dan B-Yallay в сообщении #1196439 писал(а):

Но для любителей персональной авиации, тренировочных полётов и аэрошоу - почему бы и нет?

Это - да.

[Dan B-Yallay]

Кстати, оказывается пока россияне работали над "истребителем 4-го поколения" PJ II, греки не теряли время зря и недавно выкатили поколение пятое. Знакомьтесь, проект SF-1 Archon. Выглядит почти как F-22 Raptor. Только на пропеллерной тяге с 46-ти сильным мопедным движком. Вес всего 200 кг. Максимальная скорость - 180 км/ч. Зато скорость сваливания внушаеть: 65 км/ч.

Летает приблизительно так:

Low and Slow
Pilot view

[levtsn]

Добавьте камеру сгорания и получится моторджет.

[bondkim137]

Dan B-Yallay в сообщении #1196439 писал(а):

а что если отказаться от турбины, взять ДВС помощнее и раскрутить винты через мультипликатор (повышающую передачу?)

Они вроде бы наоборот, в уменьшающих редукторах обычно нуждаются?
При скорости вращения 6000 об/мин и радиусе винта в 1м концы уже будут вращаться со сверхзвуковой линейной скоростью (около 600 м/c), что даже при небольшом угле атаки (и шаге винта соответсвенно) будет более, чем слишком?

Мой отец рассказывал, как дед в молодости выкупил старый планер и решил винт к нему приделать. Подключил к коленвалу мотоциклетного бензинового двигателя относительно небольшой винт. На первых же испытаниях силовой установки (еще до того, как его закрепили на планер), винт порвало и осколком пробило крышу у соседа. Не знаю, почему они не сделали элементарных расчетов. Потом взяли винт по-больше, поставили редуктор, отрезали крыля - и сделали в итоге из планера замечательные аэросани.

[Dan B-Yallay]

bondkim137 в сообщении #1196775 писал(а):

Они вроде бы наоборот, в уменьшающих редукторах обычно нуждаются?
При скорости вращения 6000 об/мин и радиусе винта в 1м концы уже будут вращаться со сверхзвуковой линейной скоростью (около 600 м/c), что даже при небольшом угле атаки (и шаге винта соответсвенно) будет более, чем слишком?

А разве в современных турбовентиляторах стоят редукторы? По-моему вентилятор там просто на одном валу с турбиной низкого давления. Так вот если вообще убрать эту ТНД и дать те же самые обороты вентилятору с помощью ДВС, вроде должно быть то же самое. За минусом 20-25% реактивной тяги от газов.

Вот приблизительное соотношение размеров вентилятора и турбины :




Разумеется, я не предлагаю устанавливать вентиляторы такого размера - как на картинках выше - в любительские одно-двухместные самолёты.

[Dan B-Yallay]

Насчёт вопроса в начале темы о каскадировании вентиляторов в трубе. Оказывается, как всегда, всё давно уже украдено до нас. Вот тут обсуждения:

https://www.physicsforums.com/threads/t ... er.180998/
https://www.rcgroups.com/forums/showthr ... st21960507
http://www.rcuniverse.com/forum/aerodyn ... ocity.html

Похоже, что основная проблема в том, чтобы получить на выходе именно плавное вытекание воздуха с увеличенной скоростью, а не тубулентно-медленное выплёвывание воздуха с повышенным давлением. Описаний конструкций с подробностями не нашел, как и ссылок на серьёзные статьи.
Копаемся дальше.

[Theoristos]

Dan B-Yallay в сообщении #1196788 писал(а):

Так вот если вообще убрать эту ТНД и дать те же самые обороты вентилятору с помощью ДВС, вроде должно быть то же самое.

Да пробовали и такое. Гуглить тот же МиГ-13...