Гіротурбінний транспортний засіб

1. Гіротурбінний транспортний засіб, що містить енергетичну установку, кабіну для екіпажу та систему керування, що об'єднані в модуль, корпус з двох частин та тіло обертання, який відрізняється тим, що встановлені щонайменше дві гіротурбіни з тілами обертання, які прикріплені до модуля транспортного засобу. 2. Транспортний засіб за п. 1, який відрізняється тим, що перша гіротурбіна розташована зверху модуля в одній частині корпусу, а друга гіротурбіна знаходиться під днищем модуля в другій частині корпусу, причому осі симетрії гіротурбін співпадають. 3. Транспортний засіб за п. 1, який відрізняється тим, що має три гіротурбіни, які розташовані під днищем модуля в другій частині корпусу, а осі симетрії гіротурбін утворюють рівнобедрений трикутник. 4. Транспортний засіб за п. 1, який відрізняється тим, що гіротурбіни встановлені з можливістю від U 2 (19) 1 3 Відомий також спосіб використання прискорення Коріоліса для створення тяги, оснований на використанні робочої рідини (газу), при якому робочу рідину (газ) пропускають під тиском на лопатки робочого колеса в складній послідовності, в результаті чого виникає сила Коріоліса. [патент РФ №2001104255 "Способ использования ускорения Кориолиса" МКИ F03G3/00 від 2003.01.27]. Вказаний спосіб відрізняється технологічною складністю та низьким КПД. Відомий також рушій, що кінематичне з'єднаний з двигуном, до якого прикріплений диск з багатьма масами тіл, що закріплені на одній поверхні диска за допомогою гнучких стебел. Причому в одному із варіантів рушій містить велику кількість паралельних дисків з множиною мас тіл, що закріплені на дисках за допомогою гнучких стебел, [патент РФ№2001129540 "Способ тяги посредством центробежніх сил" МКИ B64D41/00, F03H3/00 від 2004.01.27]. Для створення підйомної тягової сили такий рушій повинен мати гнучкі стебла зі спеціальними властивостями. Недоліком такої системи створення тягового зусилля є недостатня її надійність. З часом роботи гнучкі стебла переламуються (через 1-2 години інтенсивного розкручування дисків) і рушій переходить в неробочий стан. Найближчим до пропонованого технічного рішення є літальний аппарат, що містить корпус з двох частин, енергетичну установку, опорну платформу и тіла обертання в вигляді куль. Причому кульки рухаються по дуже складній траєкторії під дією соленоїдів [патент РФ №2003112472 "Летательный аппарат" МКИ В64С1/00 від 2004.11.20]. Відоме технічне рішення являє собою складну інерційну систему, що дозволяє одержати направлене тягове зусилля. Недоліком такого пристрою є складність конструкції та обмежені тягові можливості, що не враховують всіх законів інерційного руху тіл по колу. Метою пропонованого рішення є створення надійної конструкції транспортного засобу з високим КПД, що базується на основних законах руху інерційних систем, та використовує високо надійні механічні пристрої -маховики, які є відомими і випробуваними в гіроскопобудуванні. При цьому транспортний засіб використовує направлене тягове зусилля інерційних гіроскопічних систем (надалі - гіротурбін), які генерують однонаправлені тягові сили Коріоліса, що утворюються при відповідній синхронізації обертання маховиків гіротурбіни. З цією метою в гіротурбінний транспортний засіб, що містить енергетичну установку, кабіну для екіпажу та систему керування, що об'єднані в модуль, корпус з двох частин та тіла обертання згідно пропозиції введені щонайменше дві гіротурбіни з тілами обертання, які прикріплені до модуля транспортного засобу. Крім того, згідно пропозиції перша гіротурбіна розташована зверху модуля в одній частині корпусу, а друга гіротурбіна знаходиться під днищем модуля в другій частині корпусу, причому осі симетрії гіротурбін співпадають. 15767 4 Крім того, згідно пропозиції три гіротурбіни розташовані під днищем модуля в другій частині корпусу, а осі симетрії гіротурбін утворюють рівнобедрений трикутник. Крім того, згідно пропозиції гіротурбіни встановлені з можливістю відхилення відносно модуля транспортного засобу на відповідну кутову величину. Крім того, кожна гіротурбіна згідно пропозиції містить корпус, рушій, маховики, що обертаються навколо відповідних локальних осей, дискову платформу, що обертається навколо спільної осі, розташованої за межами всіх маховиків, яка утворює вісь симетрії гіротурбіни, маховики встановлені через підшипники на обертовій платформі разом з рушієм, що кінематично з'єднаний з корпусом. Крім того, згідно пропозиції локальні осі обертання маховиків розташовані на одинаковій кутовій відстані одна від одної. Крім того, згідно пропозиції кожен маховик обертається відповідним додатковим електродвигуном. Крім того, згідно пропозиції кожен маховик виконано в формі кільцевого зрізаного конуса, неявна вершина якого розташована на перетині локальної осі маховика та спільної осей гіротурбіни. Крім того, згідно пропозиції кожен маховик виконано спільно з ротором відповідного електродвигуна. Крім того, згідно пропозиції переміщення маховика відносно спільної осі відбувається взаємно узгоджено з швидкістю обертання маховика навколо локальної осі. Між досягнутою метою та технічною суттю існує безпосередній причинно-наслідковий зв'язок. Відомо, що для переміщення транспортного засобу потрібне тягове зусилля відповідного рушія. В якості рушія пропонується використати гіротурбіну, яка основана на відомому фізичному ефекті, що виникає при складному обертальнопоступальному рухові матеріальної точки (маховика) з відповідною швидкістю. В цьому випадку виникає прискорення Коріоліса, орієнтація якого є перпендикулярною до векторів лінійної та кутової швидкостей матеріальної точки, а напрям вектору визначається відомим правилом Жуковського. Згідно пропонованого технічного рішення лінійне переміщення матеріальної точки (маховика), що обертається навколо локальної осі обертання, доповнено рухом обертового маховика по колу навколо другої спільної осі, яка розташована за межами маховика на заданій відстані А. При цьому виникає прискорення Коріоліса, яке створює силовий момент, що діє на маховик відносно точки Q перетину локальної та спільної осей обертання маховика, і намагається його розвернути відносно точки Q. Встановлення додаткового маховика в гіротурбіні на такій же відстані А з протилежної сторони точки перетину осей Q та завдяки обертанню додаткового маховика в напрямку, протилежному до напрямку обертання першого маховика, виникає додаткова сила Коріоліса, що компенсує обертовий момент, утворений в результаті складного руху першого маховика. При цьому в такій гіроскопічній системі - гіротурбіні, що скла 5 дається із двох маховиків, - виникає тягове зусилля щонайменше пари сил Коріоліса, яке направлене вздовж спільної осі обертання маховиків гіротурбіни, яка і є її віссю симетрії. На Фіг.1 зображено розріз першого варіанту пропонованого транспортного засобу. На Фіг.2 зображено вид зверху по лінії А-А. На Фіг.3 зображено розріз другого варіанту пропонованого транспортного засобу. На Фіг.4 зображено вид зверху по лінії В-В на Фіг.3. На Фіг.5 зображено розріз гіротурбіни пропонованого транспортного засобу. На Фіг.6 зображено вид зверху по лінії С-С гіротурбіни згідно Фіг.5. На Фіг.7 зображено фрагмент електрорушія гіротурбіни на Фіг.5. На Фіг.8 показана кінематична схема, що пояснює суть пропонованого технічного рішення, що покладено в основу роботи гіротурбіни. Гіротурбінний транспортний засіб на Фіг.1 та 2 містить кабіну для екіпажу 1, енергетичну установку 2 та систему керування 3, що виконані в формі модуля 4, та оснащений щонайменше двома гіротурбінами 5а та 5b, які прикріплені до модуля 4 за допомогою кронштейнів 6. Перша гіротурбіна 5 а має форму циліндра і розташована зверху модуля 4 в одній частині 7 корпусу. Гіротурбіна 5а встановлена з можливістю відхилення відносно модуля 4 навколо осі 8 за допомогою виконавчого пристрою 9. Гіротурбіна 5а виконана в вигляді тіла обертання, що має вісь симетрії 10а. Частина корпусу 7 призначена для захисту гіротурбіни 5а від дії атмосферних опадів. Друга гіротурбіна 5b ідентична першій 5b і розташована під днищем модуля 4 в другій частині 11 корпусу. Гіротурбіна 5а встановлена з можливістю відхилення відносно модуля 4 навколо осі 12 за допомогою виконавчих пристроїв 13, 14, що є аналогічними пристроям 9. Гіротурбіна 5b виконана в формі циліндра, що має вісь симетрії 10b. Друга частина 11 корпусу захищає знизу гіротурбіну 5b. Осі симетрії 10а, та 10b відповідних гіротурбін 5а, 5b співпадають. Осі 8 та 12 відхилення відповідних гіротурбін 5а, 5b відносно модуля 4 розташовані в площинах, що є паралельними площині А-А та утворюють кут 90°. В другому варіанті виконання транспортного засобу на Фіг.3, 4 три ідентичні гіротурбіни 5а, 5b, 5с розташовані під днищем модуля 4 в другій частині 11 корпусу, а осі симетрії 10а, 10b, 10с гіротурбін 5а...5с утворюють рівнобедрений трикутник. В першій частині корпусу 7 може розташовуватися вантажний відсік. Гіротурбіни 5а, 5b, 5с встановлені нерухомо відносно модуля 4 транспортного засобу. Гіротурбіна на Фіг.5, 6 містить корпус 15, рушій 16, обертову платформу 17 та маховики18 в формі кільцевого зрізаного конусу. Маховик 18 виконаний як частина конуса 19, що обертається навколо відповідної локальної осі обертання 20 на підшипниках 21. Вузол повороту маховиків виконано в формі дискової платформи 17, що обертається навколо спільної осі 10, пер 15767 6 пендикулярно до локальної осі обертання 20. Дискова платформа 17 оснащена (в подальшому див. Фіг.6) щонайменше трьома маховиками 18, локальні осі 20 обертання яких розташовані перпендикулярно до спільної осі 10, що розташована за межами всіх маховиків 18. Маховики 18 встановлені через підшипники 21 в корпусах 22, що закріплені на обертовій платформі 17 разом з рушієм 16. Вал 23 рушія 16 кінематично з'єднаний з корпусом 15, наприклад, через зубчасту планетарну передачу 24, 25. Локальні осі 20 обертання маховиків 18, розташовані на одинаковій кутовій відстані (120°) одна від одної. Локальні осі 20 перетинаються зі спільною віссю 10 в точці Q на Фіг.5. Вісь 10 співпадає з віссю симетрії гіротурбіни на Фіг.1…4. Згідно пропонованого технічного рішення кожен маховик 18 виконаний в формі конусного кільця та обертається відповідним електрорушієм. При цьому неявна вершина конуса розташована в точці Q на перетині локальної осі 20 маховика та спільної 10 осі гіротурбіни. Електрорушій складається з корпусу, 22 обмотки збудження 26, та ротора 27 (див. також Фіг.7). Ротор 27 конструктивно виконаний спільно з маховиком 18. Обмотка збудження 26 нерухомо закріплена на гільзі 28 електрорушія. Маховик 18 встановлений в корпусі 22 електрорушія на підшипниках 21. В якості електрорушія може бути використаний асинхронний, колекторний чи гістерезисний електродвигуни. Платформа 17 встановлена на підшипнику 29. Корпус 15 гіротурбіни може бути прикріплений до модуля 4 транспортного засобу на Фіг.3 за допомогою відповідних елементів кріплення 30. Для передачі електроенергії від енергетичної установки 2 транспортного засобу на Фіг.1 (Фіг.3) до електрорушіїв 16, 22, що обертаються на платформі 17, використовується струмопередавач 31 наприклад, колекторні струмоз'ємні кільця. Електрична енергія від енергетичної установки 2 на Фіг.3 передається до струмопередавача за допомогою силового кабелю 32. Гіротурбінний транспортний засіб функціонує наступним чином. В процесі роботи кожної гіротурбіни 5 виникає тягове зусилля Коріоліса Fk, яке завжди направлене вздовж її осі симетрії 10. При цьому на кожну гіротурбіну діє крутний момент М реакції, що намагається розвернути гіротурбіну навколо осі симетрії 10, а сила тяги гіротурбіна регулюється швидкістю обертання маховиків 18 та платформи 17. При збільшенні швидкості обертання маховиків сила тяги Fk гіротурбіни збільшується, і навпаки, при зменшенні кутової швидкості обертання маховиків сила тяги Fk, падає. На Фіг.1 дві гіротурбіни встановлюють співвісно таким чином, що момент реакції Ма першої гіротурбіни 5 а направлений в протилежну сторону до моменту реакції Mb гіротурбіни 5b. В результаті такого розташування гіротурбін моменти реакції взаємно гасяться, а напрямок сил тяги гіротурбін співпадає, що забезпечується за рахунок відповідної синхронізації обертання маховиків гіротурбіни з 7 обертанням її платформи. При цьому модуль 4 на Фіг.1 разом з транспортним засобом підіймається без обертання навколо осі 10. Рух вперед транспортного засобу на Фіг.1 (в напрямку стрілки D) забезпечується з рахунок нахилу гіротурбіни 5b навколо її осі 12 в напрямку стрілки Е. При цьому виконавчий пристрій 13 віддаляє гіротурбіну 5b від модуля 4, а пристрій 14 приближує її до модуля 4, тягове зусилля Fkb, гіротурбіни 5b розкладається на вертикальну і горизонтальну складову, яка і рухає вперед гіротурбінний транспортний засіб. Рух назад транспортного засобу на Фіг.1 забезпечується з рахунок повороту гіротурбіни 5b проти стрілки Е навколо осі 12. При цьому тягове зусилля Fkb гіротурбіни 5b розкладається на вертикальну і горизонтальну складову, що направлена назад, яка і рухає гіротурбінний транспортний засіб в цьому напрямку. Рух транспортного засобу вліво забезпечується за рахунок нахилу гіротурбіни 5а навколо осі 8, при якому виконавчий пристрій 9 приближує передній край гіротурбіни 5а до модуля 4. Рух транспортного засобу вправо забезпечується за рахунок нахилу гіротурбіни 5а навколо осі 8, при якому виконавчий пристрій 9 віддаляє передній край гіротурбіни 5а від модуля 4. В цих випадках тягове зусилля гіротурбіни 5 а розкладається на вертикальну і бічну складову, яка переміщає гіротурбінний транспортний засіб в просторі в відповідну сторону. На Фіг.4 три гіротурбіни встановлюють таким чином, що сумарний момент Ms реакції всіх гіротурбін 5а, 5b, 5с зводиться до нуля, за рахунок того, що момент Ма реакції першої гіротурбіни 5а направлений, наприклад проти годинникові стрілки, а моменти реакції Мb, Мс гіротурбін 5b та 5с направлені в протилежному напрямку як це показано на Фіг.4. В результаті такого розташування гіротурбін моменти реакції гасяться, тобто Ms=Ма+Мb+Мс=0, а напрямок сил тяги Fk всіх гіротурбін 5 співпадає, що забезпечується за рахунок відповідної синхронізації обертання маховиків гіротурбіни з обертанням їх платформ. При цьому модуль 5 разом з транспортним засобом підіймається вверх без обертання. Рух вперед транспортного засобу на Фіг.3, 4 (в напрямку стрілки D) забезпечується з рахунок збільшення сили тяги обох гіротурбін 5b та 5с одночасно. При цьому тягове зусилля трьох гіротурбін розкладається на вертикальну і горизонтальну складову, яка і рухає вперед гіротурбінний транспортний засіб. Рух назад транспортного засобу на Фіг.2 забезпечується з рахунок збільшення тяги гіротурбіни 5а. При цьому тягове зусилля трьох гіротурбін розкладається на вертикальну і горизонтальну складову, яка і рухає гіротурбінний транспортний засіб назад. Рух транспортного засобу вліво забезпечується за рахунок збільшення сили тяги гіротурбіни 5с. Рух транспортного засобу вправо забезпечується за рахунок збільшення сили тяги гіротурбіни 5b. В цих випадках тягове зусилля гіротурбін розкладається на вертикальну і бічну складову, яка пере 15767 8 міщає гіротурбінний транспортний засіб в просторі та розвертає його. Гіротурбіна 5 транспортного засобу працює наступним чином. Для збільшення величини тягового зусилля Fk гіротурбіна 5 оснащена декількома маховиками 16, як це показано на Фіг.5(6). Рушій 16 обертає вихідний вал 23 в напрямку за годинниковою стрілкою, який через планетарний редуктор 24, 25 кінематично з'єднаний з корпусом 15 гіротурбіни. В результаті цього дискова платформа 17 обертається навколо осі 10 проти годинникової стрілки разом з маховиками 18. Кожен маховик 18 обертається відповідним електрорушієм, що змонтований в корпусі 22 і містить обмотку збудження 26 та ротор 27 (див. Фіг.5, 7), який виконано, наприклад, короткозамкнутим згідно схеми "білячого колеса". Ротор 27 кожного електрорушія обертає відповідні маховики 18 навколо їх локальних осей 20 в напрямку, що визначається запропонованим правилом, за яким вектор кутової швидкості дискової платформи 17 умовно суміщається з відповідною локальною віссю 20 обертання маховика 18, при цьому напрям обертання маховика 18 навколо відповідної локальної осі 20 співпадає з напрямком обертання повернутого вектора . В результаті цього напрями сил Коріоліса Fk всіх маховиків 18 співпадають і направлені в одну сторону вздовж осі 10, завдяки чому виникає тягове зусилля, рівне 3Fk, яке забезпечує плоскопаралельне переміщення в транспортного засобу в просторі. Фізичну суть функціонування запропонованої гіротурбіни пояснює кінематична схема на Фіг.8. В запропонованій гіротурбіні маховики 18 обертаються навколо їх відповідних локальних осей 20 і одночасно синхронно обертаються разом навколо спільної осі 10, що знаходиться поза центрами мас 33 відповідних маховиків в площині 34 і є паралельною до площини платформи 17 на Фіг.5, 6. Переносна швидкість V маховиків 18 визначається як V = А , де - кутова швидкість обертання маховиків навколо спільної осі 10; А - відстань центру мас 33 відповідного маховика 18 від осі 10. Напрям обертання кожного маховика 18 на Фіг.5, 6 та на Фіг.8 навколо його локальної осі 20 визначають на основі запропонованого правила синхронізації маховиків, за яким вектор кутової швидкості обертання навколо спільної осі 10 умовно повертають на 90°, наприклад, по траєкторії 35 і суміщають його з відповідною локальною віссю 20 обертання відповідного маховика 18 (проміжне положення вектора кутової швидкості ' при його повороті показано на Фіг.8 пунктиром). При цьому напрям обертання відповідної локальної осі 20 повинен співпадати з напрямком обертання повернутого вектора кутової швидкості '. Застосування запропонованого правила гарантує, що для кожного маховика 20 забезпечується відповідна синхронізація його обертання навколо локальної осі 20 з обертанням навколо спільної осі 10, і тим самим - однонаправлена орієнтація діючих сил Коріоліса Fk, Fk, Fk" вздовж осі 10. В цьому можна пересвідчитися, застосовуючи правило Жуковського для кожного маховика 18. 9 Згідно цього правила вектор швидкості переміщення V маховика 18 умовно повертають на 90° в напрямку обертання вектора кутової швидкості , в результаті чого визначається напрям сили Коріоліса Fk, що діє на маховик 18. Сила Коріоліса Fk співпадає з напрямком повернутого таким чином вектора швидкості V і визначається як Fk=k V, де k - безрозмірний коефіцієнт пропорційності, що враховує геометричні розміри маховика, та умови його синхронізації з рухом навколо спільної осі 20, . - маса маховика. Згідно розрахунків коефіцієнт k для конусного кільцевого маховика 18 знаходиться в межах 0.58 >k> . При обертанні маховика 18 навколо осі 10 виникає також доцентрова сила Коріоліса Fd (див Фіг.8), направлена в точку перетину Q. Для визначення її напряму дії необхідно для довільної точки 36 кільця маховика 18, що обертається навколо осі 10 з кутовою швидкістю , застосувати правило Жуковського, враховуючи той факт, що переносна швидкість точки 36 становить Vm= r (r - середній радіус кільця маховика). При цьому вектор Vm переносної швидкості умовно повертають на 90° в напрямку обертання вектора . В результаті - напрям сили Коріоліса Fd співпадає з напрямком повернутого таким чином вектора Vm, що показано 15767 10 на Фіг.8. Тому форма кільцевого маховика вибрана конусною для забезпечення достатнього опору силі Коріоліса Fd. Проведені розрахунки свідчать, що при масі кільцевого маховика =10кг; k=1; швидкості обертання маховика =6000об/хв=100об./сек; швидкості переміщення маховиків навколо спільної осі V=6м/сек можна отримати значення тягового зусилля Коріоліса для одного маховика Fk=1*10кг*100об/хв*6м/сек=6000кг*м/сек2=6000Нь ютон (в системі СІ). Якщо врахувати, що кожна гіротурбіна може містити m=6 маховиків, то при наявності N=3 трьох гіротурбін, вони здатні створити тягове зусилля Fs=Fk*m*N=6kH*18=108kH. Такий гіротурбінний транспортний засіб, при його максимальній масі 5000 кг здатний розвитати сумарне тягове зусилля 10800кг сили, тобто підіймати на своєму борту додатково 5000кг. вантажу або 250 членів екіпажу зі спорядженням. При цьому КПД такого гіротурбінного транспорту становить 50%. Дослідно-конструкторський зразок пропонованої гіродинамічної системи виготовлений і досліджений в складі гіродинамічно стабілізованої платформи, що може зависати над поверхнею Землі. 11 Комп’ютерна верстка М. Мацело 15767 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601