Спосіб утворення в текучому середовищі гідродинамічної піднімальної або рушійної сили і пристрій для його здійснення

Спосіб утворення в текучому середовищі гідродинамічної піднімальної або рушійної сили і пристрій для його здійснення. Винаходи, що заявляються відносяться до гідродинаміки, а саме, до способів утворення в текучому середовищі гідродинамічної піднімальної або рушійної сили за допомогою пристроїв роторного типу виконуючих функції крила, лопаті або лопатки і можуть бути використані в авіації, суднобудуванні, енергетиці, турбо-, компрессоро- та насособудуванні. Відомий спосіб утворення в текучому середовищі гідродинамічної піднімальної або рушійної сили шляхом взаємодії з середовищем тіл спеціальної форми під час їх обтікання (див. кн. К.К.Федяевского, Я.И.Войткунского і Ю.И.Фаддеева, Гидромеханика, Л.: "Судостроение", 1968г., с.375). У порівнянні з запропонованим способом, відомий забезпечує значно менше значення коефіцієнта піднімальної сили "Су", а, отже, за інших рівних умов і значно меншу піднімальну або рушійну силу. Відомий пристрій, що здійснює вищеописаний спосіб, виконаний у формі плоского крила з передкрилком (див. заявку ФРН №3837812, У 64С 3/10, журнал "Изобретения стран мира №4-6, 1991p.), причому передкрилок виконаний у формі циліндричного ротора, встановленого паралельно плоскому крилу з можливістю обертання. У порівнянні з запропонованим пристроєм, відомий має такі основні недоліки: 1) більш складну конструкцію; 2) значно більші масу і вагу; 3) значно більші габарити при рівній піднімальній силі; 4) обмеження зі швидкості обертання ротора і температури обмиваючого його середовища, що звужує галузь застосування відомого пристрою. Відомий також спосіб утворення в текучому середовищі гідродинамічної піднімальної або рушійної сили шляхом взаємодії обертового ротора з обтікаючим його середовищем, (див. статтю М.Кочунова, Э ффект Магн уса - в воздухе и под водой, журнал "Изобретатель и рационализатор" №6, 1985г. с.22) обраний за прототип за більшості істотних ознак. Відповідно до цього, використовуючого ефект Магн уса, способу гідродинамічну піднімальну силу одержують на обертовому роторі при його взаємодії із середовищем що переміщається відносно ротора. При переміщенні обертового ротора, щодо середовища, виникає рушійна сила, що впливає на середовище. У порівнянні з заявленим способом прототип має такі основні недоліки: 1) пред'являє підвищені вимоги до забезпечення безаварійності роботи, тому що у випадку руйнації обертовий ротор, виконаний з конструкційних матеріалів представляє велику небезпеку для обслуговуючого персоналу; 2) має більш вузьку галузь застосування, наприклад, через вагові обмеження практично не застосовується в авіації, а через обмеження з температури середовища - у газотурбобудуванні; 3) має також обмеження зі швидкості обертання ротора, обумовлене межею міцності використовуваних конструкційних матеріалів, а, отже, і швидкості, обмиваючого ротор середовища, що додатково звужує галузь використання способу; 4) вимагає для створення піднімальної сили більш високих енерговитрат, обумовлених більш високим опором потокові середовища елементів пристрою, що реалізує спосіб; 5) не забезпечує керування положенням результуючої піднімальної сили по довжині ротора, що звужує функціональні можливості способу. Відомий, крім того, пристрій, що здійснює вищеописаний спосіб і обраний за прототип за більшістю істотних ознак (див. статтю М.Кочунова, Эффект Магнуса - в воздухе и под водой, журнал "Изобретатель и рационализатор" №6, 1985г. с.23). Цей пристрій складається з циліндричного ротора з приводом закріпленого на несучій конструкції з можливістю обертання. У порівнянні з заявленим пристроєм, прототип має такі основні недоліки: 1) значно більші масу і вагу, тому що ротор у прототипі виконаний з конструкційних матеріалів, що обмежує галузь застосування пристрою, наприклад, в авіації; 2) більш низькі показники безпеки праці, оскільки обертовий ротор, виконаний з конструкційних матеріалів, представляє велику небезпеку для обслуговуючого персоналу у випадку його руйнації; 3) створює під час обтікання текучим середовищем більший опір через додатковий опір потокові кріпильних деталей і елементів приводу, а також вплив кінцевих та інших ефектів; 4) конструкція прототипу не дозволяє змінювати розміри і форму ротора в процесі роботи, а також змінювати швидкість обертання його окремих ділянок, що звужує його функціональні можливості; 5) існує обмеження як із граничної швидкості обертання ротора, обумовлене межею міцності використовуваних конструкційних матеріалів, так і з температури обтікаючого ротор текучого середовища, оскільки за температури більшої 200°С відбувається коксування мастила в рухомих вузлах пристрою, що звужує галузь його застосування. В основу винаходу - способу поставлене завдання його вдосконалення шляхом зміни фізичної природи одного з взаємодіючих у способі об'єктів, що забезпечує зниження маси (ваги) пристрою, який здійснює заявлений спосіб, і спрощення його конструкції, зниження енерговитрат і підвищення показників безпеки під час його здійснення, а також розширення функціональних можливостей способу й галузі його застосування. Поставлене завдання вирішується тим, що у способі створення в текучому середовищі гідродинамічної піднімальної або рушійної сили, шля хом взаємодії текучого середовища з обертовим ротором, згідно винаходу, ротор утворюють з текучого середовища у вигляді замкнутої вихрової тр уби за рахунок впливу на середовище відцентрового поля за допомогою, щонайменше, одного його джерела що забезпечує, крім обертального, і поступальне переміщення середовища в напрямку його осі обертання, причому обертовий рух середовища утворюють між джерелом і замикаючим елементом. Крім того, відцентрове поле створюють за допомогою двох джерел, встановлених зустрічно й обертаючих текуче середовище в тому самому напрямку, причому друге джерело використовують як замикаючий елемент першого і навпаки. Після утворення вихрової труби І згинають шляхом, наприклад, повороту осей обертання джерел відцентрового поля. Причому, ви хрову трубу згинають у формі півкільця. І, при утворенні вихрової труби або перед цим, джерело відцентрового поля і замикаючий елемент зближують, а після утворення труби переміщають у робоче положення. Причому, зближення здійснюють до відстані, за якої виникає розрідження середовища (вакуум) на поверхні замикаючого елемента в області її перетинання віссю обертання джерела. А швидкість обертання вихрової тр уби підтримують більшою швидкості її обтікання текучим середовищем. У основу винаходу - пристрою поставлене завдання його вдосконалення за рахунок зміни конструкції як самого пристрою, так і конструкції його деталей, що забезпечує зниження маси (ваги) пристрою і спрощення його конструкції, зниження енерговитрат і підвищення показників безпеки під час його експлуатації, а також розширення функціональних можливостей пристрою та галузі його застосування. Поставлене завдання вирішується тим, що в пристрої для створення в текучому середовищі гідродинамічної піднімальної або рушійної сили, роторного типу, згідно винаходу, на несучій конструкції закріплене джерело відцентрового поля, і в області створення відцентрового поля (розташування його робочих органів) закріплений, відносно несучої конструкції, замикаючий елемент. Крім того, замикаючий елемент виконаний із непроникною для текучого середовища поверхнею з боку зверненого до джерела. Замикаючий елемент може бути виконаний у вигляді пластини, розміри якої рівні або перевищують розміри проекції на неї джерела відцентрового поля в напрямку осі обертання джерела. Наприклад, пластина виконана плоскою і встановлена перпендикулярно до осі обертання джерела. Або, замикаючий елемент виконаний у вигляді іншого джерела відцентрового поля встановленого зустрічно першому. Причому, джерела відцентрового поля встановлені співвісно (з суміщенням осей обертання створюваних ними відцентрових полів шляхом суміщення осей обертання їхніх робочих органів). Крім того, джерело відцентрового поля і/або замикаючий елемент встановлені відносно несучої конструкції з можливістю їх фіксованого переміщення й обладнані механізмами переміщення. Крім цього, джерела відцентрового поля встановлені з можливістю повороту їх осей обертання й обладнані механізмами повороту. Щонайменше одне джерело відцентрового поля може бути виконане у вигляді лопатевого робочого колеса встановленого на несучій конструкції з можливістю обертання і підключеного до приводу. Це лопатеве робоче колесо виконане з співвісно розташованим диском, непроникним для текучого середовища, причому диск може бути виконаний з діаметром рівним діаметру колеса, а лопаті відцентровими. Причому, як варіант, по краю диска може бути закріплений непроникний для текучого середовища обід з утворенням порожнини відкритої до місця утворення вихрової труби, а лопаті розміщені усередині цієї порожнини, причому обід виконаний циліндричної форми або форми, що розширюється від диска, наприклад, у вигляді бічної поверхні зрізаного конуса. Це робоче лопатеве колесо із співвісно розташованим диском, непроникним для текучого середовища може бути виконане з діаметром диска меншим діаметра колеса з встановленням лопатей на периферії диска з забезпеченням осьової подачі. Причому, на диску з обох боків можуть бути виконані відцентрові лопатей. Для посилення осьової подачі робоче лопатеве колесо розміщене у непроникному для текучого середовища корпусі, відкритому у напрямку місця утворення вихрової труби, або в аналогічну виїмку в несучій конструкції. Ще більш підсилює осьову подачу обладнання корпуса (виїмки) джерела відцентрового поля патрубком підведення або відведення текучого середовища. Причому, патрубок розміщений у протилежній, щодо місця утворення вихрової труби, частині корпуса (виїмки), співвісно приводному валу робочого колеса. Щонайменше одне джерело відцентрового поля може бути виконане у вигляді закручуючого потік насадка сполученого з нагнітачем текучого середовища (насосом або компресором) або джерелом вакуум у. Причому, насадок може бути виконаний у вигляді відкритого, у напрямку місця утворення вихрової тр уби, судини, а підведення або відведення текучого середовища до нього або від нього здійснене тангенціально. Або, насадок може бути виконаний у несучій конструкції або її рухливому фрагменту у вигляді кільцевої щілини, обладнаної патрубком такої ж форми, в утвореному кільцевому каналі встановлені елементи, що закручують потік, наприклад, лопатки, а внутрішня, обмежена щілиною, частина насадка виконана непроникною для текучого середовища. Причому, патрубки підведення текучого середовища виконані у вигляді сопел. А бічна стінка корпуса (виїмки) і насадка у відповідних варіантах джерела відцентрового поля виконана циліндричної форми або форми, що розширюється симетрично від днища, наприклад, конусної. В усі х варіантах пристрою простір прилягаючий до поверхні джерела і/або замикаючого елемента сполученого, у місці утворення вихрової труби, з навколишнім середовищем і/або джерелом вакууму за допомогою трубопроводу, що проходить через джерело або елемент і обладнаного запірним та регулюючим витрату пристроєм. Крім того, поверхня несучої конструкції в області розташування джерел відцентрового поля виконана непроникною для текучого середовища. Причому, поверхня несучої конструкції виконана непроникною для текучого середовища в усі боки від осі обертання джерела відцентрового поля на відстані не меншій, ніж 1,414 максимального значення радіуса вихрової труби. Створення в текучому середовищі замкнутої вихрової труби, шля хом дії на неї відцентрового поля між його джерелом і замикаючим елементом, дозволяє одержати в середовищі, необхідний для здійснення способу, обертовий ротор, закріплений відносно джерела відцентрового поля, через те, що в зоні розташування його робочих органів утворюється, під дією відцентрових сил, стійка область зниженого тиску "прив'язана" до джерела. Причому, оскільки всередині труби встановиться розрідження, за рахунок дії на частки середовища відцентрових сил, то питома вага утвореного ротора буде менше питомої ваги середовища і, отже, такий ротор буде не обтяжувати пристрій, у якому він використовується, а навпаки, полегшувати. Крім того, збільшення швидкості обертання, на відміну від прототипу, буде приводити не до руйнації ротора, а до збільшення його стійкості і розмірів, що дозволяє використовувати запропоновані спосіб та пристрій не тільки на дозвукових режимах обтікання, як прототипи, але й на понад і гіперзвукових, тобто розширити галузь їхнього застосування. Крім того, очевидно, що наслідки аварійної руйнації такого ротора не порівняні з наслідками руйнації ротора, аналогічного розміру, але виконаного з конструкційних матеріалів. Створення вихрової труби за допомогою двох джерел відцентрового поля забезпечує більш повне замикання вихрової труби, збільшує силу, що утримує ротор у заданому місці і дозволяє змінювати напрямок піднімальної або рушійної сили шляхом зміни швидкості обертання одного з джерел щодо іншого, тобто виконувати, додатково, функції керування, що розширює функціональні можливості способу та пристрою, які заявляються. Встановлення джерел відцентрового поля з можливістю їхнього переміщення і/або повороту їхніх осей обертання дозволяє спростити умови утворення вихрової труби в текучому середовищі й здійснити необхідні зміни її форми і розмірів залежно від умов роботи, а, отже, розширити можливості керування ротором у процесі роботи і знизити силу опору текучому середовищу при його обтіканні. Вигин вихрової труби у формі півкільця шляхом, наприклад, повороту осей обертання джерел відцентрового поля паралельно один одному дозволяє одержати додатково до піднімальної й рушійну силу за нерухомого стану гр уби, а також знизити силу опору ротора набігаючому потокові за рахунок забезпечення безперервності поля швидкостей текучого середовища при його обтіканні (див. кн. Лаврентьева М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидромеханики и их математические модели. -М: На ука, 1975, с.328). Підтримування швидкості обертання вихрової тр уби більшою, ніж швидкість її обтікання забезпечує виконання умови її стійкості. Сполучення порожнини вихрової труби через один або обидва її кінці з навколишнім середовищем і/або джерелом вакууму за допомогою трубопроводу, що проходить через прилягаючий до її кінця джерела відцентрового поля, обладнаного запірним і регулюючим витрату пристроєм(ями) дає додаткові можливості керування формою і діаметром вихрової труби. Обладнання корпуса джерела відцентрового поля виконаного на основі лопатевого робочого колеса, патрубком підведення текучого середовища в протилежній, стосовно вихрової труби, частини корпуса (виїмки) або виконання джерела відцентрового поля у вигляді закручуючого потік насадка, сполученого з нагнітачем текучого середовища (насосом або компресором), дозволяє утворювати вихрову трубу в текучому середовищі шляхом подачі в неї іншого текучого середовища або того ж середовища, але яке має меншу температуру і забезпечує, за рахунок цього, виведення з безпосереднього контакту з потоком середовища, обмиваючого ротор рухливі з'єднання деталей джерел відцентрового поля, що потребують змащення. Оскільки сама вихрова тр уба обмежень з температури середовища не має, то виникає можливість використання заявленого пристрою в якості направляючих і/або робочих лопаток газових турбін, які працюють в умовах високих і надвисоких температур, що додатково розширює галузь застосування і способу і пристрою. Виконання несучих конструкцій 5 і 6 непроникними в області розташування джерел відцентрового поля дозволяє збільшити силу, що утримує вихрову тр убу в заданому місці. Винахыд пояснено ілюстраціям и деяких варіантів пристрою, що здійснює заявлений спосіб. На фіг.1 зображений варіант пристрою з одним джерелом відцентрового поля, на фіг.2 і фіг.3 - варіанти пристрою з двома джерелами різної конструкції, на фіг.4 - варіант із двома джерелами відцентрового поля, обладнаними системою їхнього повороту (а - вихідний стан, в - кінцевий стан), на фіг.5 - джерело відцентрового поля щілинного типу. Запропонований пристрій складається з джерела відцентрового поля 1, виконаного у вигляді лопатевого відцентрового колеса зв'язаного валом 2 із приводом 3. Джерело відцентрового поля 1 розміщене в циліндричній виїмці 4, виконаній в несучій конструкції 5. Навпроти джерела відцентрового поля 1 встановлена конструкція 6 із поверхнею непроникною для текучого середовища, розміри якої перевищують розміри проекції на неї джерела 1. По осі лопатевого відцентрового колеса джерела відцентрового поля 1 і вала 2 виконаний отвір 7, що є частиною трубопроводу 8 зв'язаного через регульовані вентилі 9 і 10 з навколишнім середовищем і джерелом вакууму 11 (варіант №1, див. фіг.1). Джерело відцентрового поля 1 може бути виконане із забезпеченням додаткової осьової подачі текучого середовища шляхом встановлення у виїмці 4 патрубка підведення текучого середовища 12 співвісно валу 2 і виконання його лопатевого робочого колеса з двобічним, стосовно диска 13 розташуванням відцентрових лопатей. А в конструкції 6 навпроти джерела відцентрового поля 1 в аналогічній виїмці 14 дзеркально розміщене аналогічне джерело відцентрового поля 15 із своїм трубопроводом 16, що зв'язує джерело 15 із навколишнім середовищем і джерелом вакууму 11, за допомогою регульованих вентилів 17 і 18 (варіант №2, див. фіг.2). Або, джерело відцентрового поля 1 може бути виконане з лопатевим колесом, що забезпечує осьову подачу або відвід текучого середовища, причому, доцільно патрубок 12 у виїмці 4 виконати, в цьому випадку, кільцевим. Розташоване навпроти, у виїмці 14, джерело відцентрового поля 15 виконане аналогічним, хоча воно може мати й іншу, як, наприклад, у варіанті 2, конструкцію (варіант 3, див. фіг.3). Джерела відцентрового поля 1 і 15 можуть бути виконані у вигляді насадків - судин 19 і 20. що мають форму зрізаного конуса з відкритою великою основою на бічній стороні яких, біля днища, тангенціально встановлені патрубки 21 і 22 сполучені трубопроводами 23 і 24 з нагнітачем текучого середовища 25, наприклад, компресором. Патрубки 21 і 22 виконані у формі дозвуковых сопел. А джерела відцентрового поля 1 і 15 виконані з можливістю їх переміщення і повороту осей обертання створюваних ними полів за допомогою механізмів 26 і 27, наприклад, гідравлічного типу. Для фіксації судин 19 і 20 у робочому стані передбачені защіпки (на кресленні не показані). Трубопроводи 8, 16 і 23, 24 виконані гнучкими, наприклад, з армованої гуми (варіант 4, див. фіг.4). У цьому ж варіанті пристрою джерела відцентрового поля 1 і 15 можуть бути виконані щілинного типу (див. фіг.5), де на фрагменту несучої конструкції 5 або 6, встановленому з можливістю повороту і/або переміщення, виконаний щілинний канал 28, що має форму кільцевого дозвукового сопла. Всередині каналу 28 через рівні проміжки встановлені похилі, відносно поперечного перерізу каналу 28, лопатки 29. Причому, лопатки 29 встановлені з перекриттям одна одної, а канал 28 сполучений з нагнітачем текучого середовища 25. В усі х варіантах запропонованого пристрою поверхня конструкції 5 і 6, в області розташування джерел 1 і 15 виконана непроникною для текучого середовища на відстані від осі обертання джерел 1 і 15 не меншій, ніж 1,5 радіуса виїмок 4, 14 або максимальні значення радіуса насадків. Пристрій працює в текучому середовищі таким чином. При однонапрямленому запуску джерела відцентрового поля 1 і 15 взаємодіюча з ними частина текучого середовища втягується в обертання, формуючи ви хрову тр убу, замкнуту між джерелом відцентрового поля 1 і непроникною поверхнею конструкції 6 (варіант №1) або між джерелами відцентрового поля 1 і 15 (варіанти №№2, 3 і 4). Оскільки в зоні, що прилягає до осі обертання джерел 1 і 15 створюється стійка зона зниженого тиску, за рахунок дії відцентрових сил, а утворена вихрова тр уба замкнута на, щонайменше, один із них і всередині неї тиск теж знижений, то під дією більш високого зовнішнього, стосовно вихрової тр уби, тиску текучого середовища вона буде утримуватися джерелом 1 (варіант №1) або джерелами 1 і 15 (варіанти №№2, 3 і 4) при її обтіканні текучим середовищем. Тому що ви хрова тр уба поводиться як обертове пружне тіло (див. кн. В.И.Меркулова. Гидродинамика знакомая и незнакомая. -М.: Наука, 1989, с.65), то при її обтіканні текучим середовищем виникає, за рахунок ефекту Магн уса, піднімальна сила, що передається утримуючим грубу джерелам 1 і 15 або джерелу І (варіант №1), а, отже, і несучій конструкції 5. При переміщенні несучої конструкції 5 із закріпленими на ній джерелами 1 і 15 щодо текучого середовища утримувана ними вихрова тр уба буде переміщатися теж, створюючи, за рахунок ефекту Магн уса, р ушійну силу в текучому середовищі. У варіанті 4 передбачена можливість зміни конфігурації вихрової тр уби в процесі роботи шляхом повороту джерел 1 і 15 за допомогою механізмів 26, 27, оптимізуючи при цьому її форму. Наприклад, при однонапрямленому повороті джерела 1 і 15 до положення, коли їхні осі обертання стануть рівнобіжними одна одній, вихрова труба зігнеться у формі півкільця, приймаючи оптимальну, для її утримання джерелами 1 і 15, форму. Причому така форма вихрової труби дозволяє створювати, за рахунок взаємодії її поверхні з навколишнім середовищем, рушійну силу, що діє і на середовище і на вихрову трубу і без переміщення вихрової труби щодо середовища (див. журнал «Изобретатель и рационализатор» №12, 1985, с.22). Джерела 1 і 15 у варіанті 3 можуть працювати зі спільним нагнітанням середовища в зону ви хроутворення, зі спільним відсмоктуванням середовища з цієї зони, або один із нагнітанням, а іншій з відсмоктуванням. В усі х варіантах пристрою передбачена можливість зміни поперечних розмірів вихрової труби без зміни швидкості ЇЇ обертання за рахунок сполучення її порожнини з навколишнім середовищем (збільшення) або джерелом вакууму (зменшення), використовуючи тр убопроводи 8, 16 і регулюючи її розміри шляхом зміни витрати середовища через ці трубопроводи вентилями 9, 17 і 10, 18. Крім того, у пристрої що заявляється передбачена можливість регулювання довжини вихрової труби шляхом зближення або віддалення джерел 1 і 15 за допомогою відповідного механізму (на малюнках не показаний) для узгодження співвідношення піднімальної й утримуючи х сил. Приклад реалізації способу. Спосіб здійснюється за допомогою, наприклад, пристрою зображеного на фіг.4 з метою одержання піднімальної сили достатньої для зльоту пристрою в атмосфері. Вихідні дані: текуче середовище - повітря, Ρ=0,101МЛа, t=20°С; швидкість поперечного обтікання труби ω=90м/с; максимальний діаметр насадків 19 і 20 складає 1,0м, мінімальний - 0,9м; відстань між насадками 19 і 20 складає 0,5м; нагнітач текучого середовища 25 - компресор із тиском нагнітання рівним 0,1МПа; маса установки, що здійснює заявляємий спосіб разом із корисним вантажем складає 7т. Перед утворенням вихрової труби в атмосферному повітрі насадки 19 і 20 повертають за допомогою механізмів 26 і 27 співвісно один одному. Потім усередину насадків 19 і 20 через патрубки 21, 22 і трубопроводи 23, 24 подають стисле повітря від компресора 25 при тиску, меншому прийнятого, наприклад, 0,25 від номіналу. Оскільки патрубки підведення 21 і 22 встановлені тангенціально, то розігнане у них повітря закручується в конусних насадках 19, 20 і виходячи за їхні межі утворить, за рахунок складання обертального і поступального рухів повітря, конусоподібні потоки. Тому що насадки 19 і 20 встановлені співвісно, то ці потоки, що обертаються однонапрямлено, стуляться, створюючи єдину порожнину, що під дією зовнішнього тиску набуде форми вихрової тр уби замкнутої на джерела відцентрового поля 1 і 15. Після утворення вихрової тр уби насадки 19 і 20 повертають, за допомогою механізмів 26 і 27, у робочий стан і фіксують защіпками. Вихрова труба, при цьому, згинається у формі півкільця. Потім тиск стислого повітря в компресорі 25 підвищують до номінального значення. Оскільки патрубки 21 і 22 виконані у формі дозвукових сопел, то при прийнятому перепаді тисків, швидкість повітря на виході з них, а, отже, і швидкість обертання вихрової тр уби, досягне швидкості звук у ((340м/с). Аналогічним чином заявлений спосіб можна реалізувати і у будь-якому іншому текучому середовищі, наприклад, у воді з відповідною зміною значень використовуваних параметрів і заміною компресора на насос.