사이클로터

Cyclorotor
Cyclorotor 소규모 시클로 자이로에 설치하기 전.

는 체액은 회전 축 유체의 운동 방향에 수직인 평면을 사용하여 가속도로 샤프트 힘 변환한 cyclorotor, 사이클로이드 로터, 사이클로이드 프로펠러나 cyclogiro 있는 유체 추진 장치.그것은 유체의 운동 방향에 회전과 수직의 축에 대해 직각spanwise 평행하게 여러 날을 사용한다.이 날 주기적으로 두번 속도의 회전 축에 어떤 방향 평시의 힘(추력 또는 리프트)을 생산하기 위해 노력해서 있다.Cyclorotors 공기와 물 차량에 추진, 리프트 및 제어의 사용된다.항공기 리프트의 주요 근원지 추진 및 제어로 cyclorotors을 사용하는 시클로 자이로나 cyclocopter으로 알려져 있다.독특한 측면은 어떤 항공기 구조 갸우뚱할 필요 없이 추력의 크기와 방향을 바꿀 수 있다.특허를 받은 application,[1][2][3]선박에 대한 특정한 작동 메커니즘도 유압, 독일 회사 보이드 터보의 이름을 딴 것으로 기계적을 사용했다.

조작 원리

사이클로터는 블레이드가 로터 주위를 통과할 때 피치를 변경하여 추력을 발생시킵니다.

사이클로터는 중심 주위에 있는 블레이드의 고정점 회전과 시간에 따라 공격 각도가 변화하는 블레이드의 진동을 조합하여 추력을 생성합니다.궤도 운동과 피치 각도 변화에 의해 발생하는 진행의 공동 작용은 다른 어떤 프로펠러보다 낮은 속도에서 더 높은 추력을 생성합니다.호버에서 블레이드는 회전의 상반부에서 양의 피치(로터 중심에서 바깥쪽으로)로 작동하고 하반부에서 음의 피치(회전 축 방향으로)로 작동하여 순상향 공기역학적 힘과 반대쪽 유체 다운워시를 유도합니다.이 피치 운동의 위상을 변화시킴으로써 힘은 수직 각도로 또는 심지어 아래로 이동할 수 있습니다.블레이드 스톨 전에 피칭 운동학의 진폭을 증가시키면 추력이 확대됩니다.

역사

로토사이클로이드 프로펠러의 기원은 러시아이며 항공 분야와 [4]관련이 있다.Sverchkov의 "Samoljot"(상트페테르부르크, 1909) 또는 "휠 오르토프터"는 이러한 유형의 추진력을 사용한 최초의 차량이었다.그 계획은 사이클로지로에 가까웠지만, 정확하게 분류하기는 어렵다.그것은 세 개의 평평한 표면과 하나의 방향타가 있었다; 한쪽 표면의 뒤쪽 가장자리가 휘어져 엘리베이터의 작동을 대체할 수 있었다.리프트와 추력은 120° 각도로 쌍으로 설정된 12개의 블레이드로 구성된 패들 휠에 의해 생성되어야 했다.오목한 모양의 칼날은 에크트릭과 스프링에 의해 입사각을 변화시키고 있었다.크래프트의 바닥에는 10마력의 엔진이 배치되어 있었다.변속기는 벨트로 고정되어 있었다.공허중량은 약 200kg이었다."사몰조트"는 군사 기술자 E.P.에 의해 만들어졌다.Sverchkov는 St.에 있는 Main Engineering Agency의 보조금을 받았다.1909년 페테르스부르크는 최신 발명품 전시회에서 시연되어 메달을 획득했습니다.그렇지 않으면, 그것은 비행하지 않고는 예비 시험을 통과할 수 없었다.

1914년, 러시아의 발명가이자 과학자 A.N. 로디긴은 러시아 정부에 사이클로지로와 유사한 항공기 프로젝트를 발표했으며, 그의 계획은 스베르히코프의 "사몰조트"와 유사했다.그 프로젝트는 실행되지 않았다.

1933년 독일에서 아돌프 로하르바흐에 의한 실험으로 패들 휠 날개 [5]배열이 이루어졌다.진동하는 윙렛은 각 회전 동안 양력을 생성하기 위해 양의 공격 각도에서 음의 공격 각도로 이동했고, 이론적으로 그들의 편심 장착은 거의 모든 수평력과 수직력의 조합을 만들어 낼 것입니다.DVL은 Rohrbach의 설계를 평가했지만 당시 외국 항공 저널들은 루프트바페 수송기로서 후자의 제안에도 불구하고 프로젝트 자금을 조달할 수 없다는 것을 의미했던 설계의 건전성에 의문을 제기하고 있다.비행은 고사하고 이 디자인이 만들어졌다는 증거는 없는 것 같습니다.그러나, Rohrbach의 패들 휠 연구를 바탕으로, 미국의 플랫은 1933년에 독자적으로 Cyclogyro를 설계했다.그의 패들 휠 날개 배열은 미국 특허(파일 상의 많은 유사한 특허 중 하나일 뿐)를 받았으며 1927년 MIT에서 광범위한 풍동 시험을 거쳤다.그럼에도 불구하고 플랫의 비행기가 만들어졌다는 증거는 없다.

첫 번째 사이클로이드 추진은 Voith에서 개발되었습니다.그 기원은 터빈용 변속기 기어 조립체 사업에 초점을 맞추기로 한 Voith 회사의 결정으로 거슬러 올라간다.유명한 보이트 프로펠러는 이전의 터빈 프로젝트에서 얻은 유체역학 노하우를 바탕으로 만들어졌다.그것은 에른스트 슈나이더에 의해 발명되었고 Voith에 의해 강화되었다.그것은 상업용 선박용 VSP(Voith-Schneider Professor)라는 이름으로 진수되었다.이 새로운 해상 추진은 1937년 시험선 토크오에서의 성공적인 해상 실험에서 입증되었듯이 배의 기동성을 크게 향상시킬 수 있다.최초의 Voith Schneider 프로펠러는 이탈리아 베니스의 좁은 운하에서 가동되었다.1937년 파리에서 열린 세계 박람회 동안, Voith는 Voith Schneider Proflers와 Voith 터보 트랜스미션 전시로 3번 대상을 수상했습니다.1년 후, 파리의 소방정 두 척이 새로운 VSP 시스템으로 작동하기 시작했다.

설계 장점과 도전

급속한 추력 편향

사이클로터는 고도의 제어 기능을 제공합니다.기존의 프로펠러, 로터 및 제트 엔진은 회전축을 따라 추력을 생성하며 추력 방향을 변경하기 위해 전체 장치를 회전시켜야 합니다.이 회전은 프로펠러 관성이 크고 회전자 자이로스코프 힘이 회전에 저항하기 때문에 큰 힘과 비교적 긴 시간 척도를 필요로 한다.많은 실용적인 용도(헬리콥터, 비행기, 선박)의 경우 전체 선박을 회전시켜야 합니다.반면 사이클로터는 블레이드 피치 모션을 변경하기만 하면 됩니다.블레이드 피치 변화에 관련된 관성이 거의 없기 때문에 회전축에 수직인 평면에서의 추력 벡터링이 [6]신속하다.

사이클로터는 블레이드 피칭 패턴을 변경하여 추력을 빠르게 벡터링할 수 있습니다.

높은 사전 비율 추력과 대칭 리프트.

사이클로터는 높은 전진 비율로 양력과 추력을 발생시킬 수 있으며, 이는 이론적으로 사이클로이로 항공기가 단일 회전자 헬리콥터의 속도를 훨씬 초과하는 아음속 속도로 비행할 수 있게 한다.싱글 로터 헬리콥터는 후퇴하는 블레이드 스톨과 소닉 블레이드 팁 [7]구속의 조합으로 전진 속도가 제한됩니다.헬리콥터가 앞으로 비행할 때, 전진하는 날개의 끝은 헬리콥터 전진 속도와 회전자 회전 속도의 합인 풍속을 경험합니다.이 값은 로터가 효율적이고 조용해야 하는 경우 음속을 초과할 수 없습니다.로터의 회전 속도를 늦추면 이 문제가 회피되지만 다른 문제가 발생합니다.기존의 속도 구성 방법에서는 후퇴하는 블레이드가 경험하는 속도가 블레이드 회전 속도와 자유 흐름 속도의 벡터 구성에 의해 생성되는 값을 갖는다는 것을 이해하기 쉽다.이 상태에서는 충분히 높은 진각비가 존재할 경우 후퇴하는 블레이드의 공기 속도가 낮다는 것이 명백합니다.블레이드의 펄럭이는 움직임에 따라 공격 각도가 달라집니다.그러면 블레이드가 정지 [8]상태에 도달할 수 있습니다.이 경우 정지 블레이드가 어느 정도 상승 능력을 유지하기 위해 피치 각도를 증가시켜야 합니다.이 리스크는 시스템 설계에 제약을 가합니다.날개 프로파일의 정확한 선택이 필요하며 지정된 속도 [9]범위에서 로터의 반지름을 신중하게 치수화해야 합니다.저속 사이클로터는 수평 회전축을 통해 이 문제를 우회하여 비교적 낮은 블레이드 선단 속도로 작동합니다.산업용 어플리케이션에 필요하게 될 가능성이 있는 고속화에 대해서는 보다 고도의 전략과 솔루션을 채택할 필요가 있다고 생각됩니다.해결 방법은 최근에 특허를 취득하여 유압 작동 시스템에서 해군용으로 성공적으로 테스트한 블레이드를 독립적으로 작동시키는 것입니다.수평 회전 축은 항상 상부 블레이드를 전진시켜 항상 전체 [11]로터에 의해 양의 양력을 생성합니다.이러한 특성은 낮은 에너지 효율과 전진 비율 [12][13][14]제한이라는 두 가지 헬리콥터 문제를 극복하는 데 도움이 될 수 있다.

비정상 공기 역학

블레이드의 진보와 진동은 사이클로터에 의해 생성되는 두 가지 동적 동작입니다.사이클로로터의 날개 날개가 전통적인 항공기 날개나 헬리콥터 날개와 다른 방식으로 작동한다는 것은 명백하다.사이클로 모터의 블레이드는 회전하는 점이 이상적인 둘레를 나타내는 회전으로 진동합니다.블레이드의 회전 중심 진각 운동과 블레이드의 진동(진자와 다소 유사한 운동)의 조합은 피치를 계속 변화시켜 복잡한 일련의 공기역학적 현상을 발생시킵니다.

  1. 블레이드 스톨의 지연
  2. 낮은 레이놀즈 수치에서 최대 블레이드 리프트 계수의 증가.

두 가지 효과는 생성된 추력의 일반적인 증가와 분명히 상관관계가 있다.헬리콥터나 다른 프로펠러와 비교했을 때, 로토사이클로이드의 동일한 날개 부분이 동일한 레이놀즈 수에서 훨씬 더 많은 추력을 발생시킨다는 것이 명백하다.이 효과는 프로펠러의 전통적인 동작을 고려함으로써 설명할 수 있다.

레이놀즈 수치가 낮으면 난류 및 층류 조건에 도달할 수 있습니다.전통적인 날개 프로파일을 고려할 때, 그러한 조건이 날개 윗면과 아랫면 사이의 속도 차이를 최소화한다는 것은 명백하다.그러면 리프트 및 스톨 속도가 모두 감소합니다.그 결과 스톨 조건에 도달하는 부착 각도가 감소합니다.

이 상태에서 기존 프로펠러와 로터는 동일한 추진력을 달성하고 블레이드 드래그에 더 많은 에너지를 손실하기 위해 더 큰 블레이드 면적을 사용하고 더 빠르게 회전해야 합니다.사이클로터가 다른 어떤 프로펠러보다 에너지 효율이 훨씬 높다는 것은 명백합니다.

실제 사이클로터는 블레이드 공격 각도를 빠르게 늘렸다가 줄임으로써 이 문제를 우회합니다.이것에 의해 일시적으로 스톨이 지연되어 높은 리프트 계수가 실현됩니다.이 불안정한 리프트는 사이클로터를 기존의 프로펠러보다 작은 규모, 낮은 속도, 높은 고도에서 더 효율적으로 만듭니다.새와 몇몇 곤충과 같은 많은 생물들이 여전히 훨씬 더 효율적이라는 것은 명백하다. 왜냐하면 그들은 피치뿐만 아니라 날개 모양도 바꿀 수 있고 상어 [17]가죽과 같은 경계층의 특성도 바꿀 수 있기 때문이다.

일부 연구는 날개나 [18]표면의 자연적인 예시와 동일한 수준의 효율성을 얻으려고 시도합니다.한 가지 방향은 모핑 윙 [19][20]개념을 도입하는 것입니다.다른 하나는 유전체 장벽 [21]방전과 같은 경계층 제어 메커니즘의 도입에 관한 것이다.

소음

실험 평가에서 사이클로터는 공기역학 노이즈를 거의 발생시키지 않았습니다.이는 블레이드 [22]팁 속도가 낮기 때문에 블레이드에 따라 강도가 낮은 난류가 발생하기 때문일 수 있습니다.

추력 효율게 맴돌며

소규모 테스트에서 사이클로터는 동일한 디스크 로딩에서 동등한 규모의 기존 로터보다 높은 전력 부하를 달성했습니다.이는 불안정한 리프트와 일관된 블레이드 공기역학적 조건을 활용하기 때문입니다.프로펠러에서 속도의 회전 구성요소는 뿌리에서 끝까지 증가하며 블레이드 코드, 트위스트, 에어포일 등을 블레이드에 따라 변화시켜야 합니다.사이클로터 블레이드 스팬은 회전축에 평행하기 때문에 각 스팬웨이즈 블레이드 섹션은 동일한 속도로 동작하며 블레이드 전체를 [6][23]최적화할 수 있습니다.

구조상의 고려 사항

사이클로터 블레이드는 회전자 축에 평행하게 위치하기 위한 지지 구조가 필요합니다.때때로 "스포크"라고 불리는 이 구조는 기생충의 [24]항력과 로터의 무게를 더합니다.사이클로터 블레이드는 (프로펠러에 대한 축방향 하중이 아닌) 벤딩 시 원심적으로 하중을 가하므로 중량 대비 강도가 매우 높은 블레이드 또는 중간 블레이드 지지 스포크가 필요합니다.20세기 초 사이클로터는 이 문제를 [25][26][27]피하기 위해 짧은 블레이드 스팬 또는 추가 지지 구조를 특징으로 했습니다.

블레이드 피치에 관한 고려 사항

사이클로터에는 연속적으로 구동되는 블레이드 피치가 필요합니다.블레이드가 로터 주위를 회전할 때 발생하는 상대적인 흐름 각도는 진각비 및 로터 추력에 따라 크게 달라집니다.가장 효율적으로 작동하려면 블레이드 피치 메커니즘이 이러한 다양한 흐름 각도에 맞게 조정되어야 합니다.회전 속도가 높기 때문에 액추에이터 기반 메커니즘을 구현하기가 어렵습니다. 이 메커니즘은 블레이드 궤적에 평행하게 장착되고 롤러 또는 에어패드 등의 블레이드 팔로어가 배치됩니다. 피치 컨트롤 트랙 모양은 궤도 경계선을 따라 블레이드의 피치를 안정적으로 결정합니다.블레이드 RPM의 es.호버에 사용되는 피칭 모션은 전진 비행에 최적화되지 않았지만, 실험 평가에서는 [24][28][29][30]1에 가까운 전진 비율까지 효율적인 비행을 제공하는 것으로 밝혀졌다.

적용들

풍력 터빈

풍력 터빈은 사이클로터의 [31]잠재적 응용 분야입니다.이 경우에는 가변 피치 수직 축 풍력 터빈으로 명명되며, 기존 [32]VAWT와 관련하여 큰 이점을 제공한다.이러한 종류의 터빈은 전통적인 Darrieus [33]VAWT의 대부분의 전통적인 한계를 극복하기 위해 언급되었습니다.

선박 추진 및 제어

예인선체에 스러스트 플레이트가 있는 트윈 보이스 슈나이더 프로펠러

사이클로터의 가장 널리 사용되는 것은 선박 추진 및 제어입니다.선박에서 사이클로로터는 회전축이 수직인 상태로 장착되어 있어 추력을 수면과 평행한 방향으로 빠르게 회전시킬 수 있습니다.1922년 Kurt Kirsten은 워싱턴의 32피트 보트에 사이클로터 한 쌍을 장착했는데, 이는 방향타 필요성을 없애고 극도의 기동성을 제공했습니다.커스틴-보잉 프로펠러 회사가 미 해군 연구 보조금을 잃은 후, 이 아이디어는 미국에서 좌절되었지만, 보이스-슈나이더 프로펠러 회사는 성공적으로 프로펠러를 상업적으로 사용하였습니다.이 Voith-Schneider 프로펠러는 제2차 세계대전이 [34]발발하기 전에 100척 이상의 배에 장착되었습니다.오늘날, 같은 회사는 기동성이 뛰어난 수상 선박에 동일한 프로펠러를 판매하고 있습니다.해상 시추선, 예인선, [35]페리에 적용된다.

항공기

사이클로이로스

주요 기사: cyclogyro
사이클로이의 개념도

사이클로이로(cyclogyro)는 사이클로터를 리프트 및 종종 추진과 제어를 위한 회전익으로 사용하는 수직 이착륙 항공기이다.사이클로터 공기역학의 발전으로 2011년 중국 북서부 폴리테크니컬 인스티튜트(Northwestern Polytechnical Institute)에서 최초의 비끈형 사이클로 비행이 가능해졌다.그 이후 대학과 기업은 여러 [24][36]가지 구성으로 소형 사이클로이로를 성공적으로 비행했습니다.

기존 로터의 성능은 낮은 레이놀즈 수치에서 낮은 공격 각도 블레이드 스톨로 인해 심각하게 저하됩니다.현재의 호버 대응 MAV는 몇 [23]분 동안만 상공에 머무를 수 있습니다.사이클로터 MAV(초소형 사이클로이로)는 불안정한 양력을 이용하여 내구성을 확장할 수 있다.지금까지 비행한 가장 작은 사이클로이는 무게가 29그램에 불과하며 텍사스 A&M [37]대학의 첨단 수직 비행 연구소에 의해 개발되었습니다.

상업용 사이클로이로 UAV는 D-Daelus와[38] Pitch Aeronics에 [39]의해 개발되고 있다.

비행선 추진 및 제어

넓은 노출 지역은 돌풍에 취약하고 바람이 부는 조건에서 비행선이 이륙, 착륙 또는 계류하기 어렵게 만든다.사이클로터로 비행선을 추진하면 빠른 추력 벡터링으로 돌풍을 보상함으로써 더 심각한 대기 조건에서 비행할 수 있다.이 아이디어에 따라, 미 해군은 USS 셰난도아 비행선에 6대의 원시 사이클로터를 장착하는 것을 심각하게 고려했다.셰넌도아는 1925년 9월 3일 스콜 라인을 통과하던 중 추락했으며, 설치와 테스트가 [40]가능했다.이후 대규모 테스트는 시행되지 않았지만 20m(66ft) 사이클로터 비행선은 [41]기존 비행선 구성에 비해 성능이 향상되었음을 테스트에서 입증했습니다.

「 」를 참조해 주세요.

  • Cycloid – 롤링 서클의 점으로 추적되는 곡선
  • Cyclogyro – 수평축 사이클로터를 회전익으로 사용하는 항공기 구성
  • 헬리콥터 로터 – 항공기 구성품

레퍼런스

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외부 링크