РОТОРНАЯ МАШИНА
ROTARY MACHINE

Изобретение относится к машиностроению и, в частности, к роторным машинам, работающих в режиме двигателей и использующих для своей работы энергию жидкости.
Изобретение может быть востребовано в качестве альтернативной силовой гидравлической установки, использующей для своей работы экологически чистые возобновляемые источники энергии. Имеет сравнительно небольшие размеры. Найдет широкое применение как в гражданских, так и военных областях.
Известна роторная машина (заявка на изобретение №2012147116/06), включающая в себя статор, установленный с возможностью заполнения его жидкостью, ротор, размещенный в нем также с возможностью заполнения его жидкостью и вращения ее с одинаковой с ротором угловой скоростью посредством элементов конструкции, выполненных, например, в виде радиальных перегородок. Корпус ротора с одной стороны ограничен нижней торцовой стенкой с размещенным в ней всасывающим отверстием, а с противоположной стороны - верхней торцовой стенкой, выполненной герметичной. На боковой цилиндрической поверхности корпуса ротора ближе к верхней торцовой стенке выполнено сквозное реактивное окно с возможностью использования его для вращения ротора посредством потенциальной энергии силы инерции центростремительного ускорения жидкости в виде реактивного момента импульса этой силы. При этом реактивное окно расположено на радиусе, меньшем радиуса цилиндрической поверхности корпуса ротора, и высота корпуса больше высоты реактивного окна. Ротор установлен также с возможностью вращения его при помощи разгонного устройства с использованием обгонной муфты. Основным недостатком известной роторной машины является то, что конструкция машины не обеспечивает ее работоспособности из-за нарушения закона сохранения энергии вследствие движения жидкости в ней по полностью замкнутому контуру. По этой причине роторная машина представляет собой замкнутую механическую систему, в которой, согласно изобретению, сумма механических видов энергии остается неизменной. К недостаткам можно также отнести и то, что заполнение ротора происходит за счет атмосферного давления, что снижает эффективность всасывания.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение работоспособности с использованием потенциальной энергии сил инерции центростремительного ускорения вращающейся с ротором жидкости и одновременно с этим расширение технических возможностей роторной машины.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в роторной машине, включающей в себя статор, установленный с возможностью заполнения его жидкостью, ротор, размещенный в нем также с возможностью заполнения его жидкостью и вращения ее с одинаковой с ротором угловой скоростью посредством элементов конструкции, расположенных внутри ротора, корпус ротора с одной стороны ограничен нижней торцовой стенкой, с размещенным в ней всасывающим отверстием, а с противоположной стороны – верхней торцовой стенкой, выполненной герметичной, на боковой цилиндрической поверхности корпуса ротора, ближе к верхней торцовой стенке, выполнено сквозное реактивное окно с возможностью использования его для вращения ротора посредством потенциальной энергии силы инерции центростремительного ускорения жидкости в виде реактивного момента импульса этой силы, причем реактивное окно расположено на радиусе, меньшем радиуса цилиндрической поверхности корпуса ротора, и высота корпуса ротора больше высоты реактивного окна, при этом ротор установлен с возможностью вращения его при помощи разгонного устройства с использованием обгонной муфты, согласно изобретению, нижняя торцовая стенка ротора выполнена герметичной, реактивное окно расположено ближе к ней, а всасывающее отверстие расположено в верхней торцовой стенке ротора с возможностью сообщения с установленным выше его источником питания и вращения ротора от него последовательно через коллектор, расположенный в верхней части статора, и регулируемый вентиль, установленный на входе в коллектор, а также при помощи трубопровода, установленного между регулируемым вентилем и источником питания, в свою очередь, коллектор посредством клапанного устройства сообщен с полостью статора, содержащего ротор, а сама полость статора выполнена с возможностью слива из нее жидкости также через регулируемый вентиль.
Далее - символ «т» в обозначениях физических величин показывает, что в основу была положена сила тяжести, а символ «и» - сила инерции. Если
G - сила тяжести столба жидкости;
A - площадь реактивного окна;
т
m - масса столба жидкости;
- ускорение свободного давления;
ρ - плотность жидкости
h - высота столба над реактивным окном;
т
V - объем столба жидкости,
то давление на глубине реактивного окна:
и
(См. Х. Кухлинг. Справочник по физике. Москва: «Мир», 1982, с. 114).
Таким образом, используя силу тяжести как возобновляемый источник энергии, мы получаем «бесплатные» заполнение и давление на глубине расположения реактивного сопла, что повышает эффективность роторной машины.
Согласно закону Паскаля давление на данной глубине одинаково во всех направлениях (Х. Кухлинг c. 114; 115). Поэтому реактивная сила тяжести столба жидкости, воздействующая на свод ротора с возможностью его вращения, будет:
т
т
F=P⋅A.
Скорость истечения жидкости из реактивного окна:
(Х. Кухлинг. С. 122).
Потенциальная энергия столба жидкости:
Кинетическая энергия столба жидкости:
п.т
Так как потенциальная энергия W является функцией высоты столба жидкости h, то при постоянной высоте
и
Объем протекшей жидкости определяется из соотношения:
Объемный расход будет:
(Х. Кухлинг. С 122)
При
Немного теории. Известно, что:
(1. К.Э. Циолковский. «Реактивное движение», 1932 г.
2. Ф.А. Соколов и П.В. Усов. Техническая механика. Москва: «Профтехиздат», 1962 г. Стр. 111, пример 28).
Тождественно для нашего случая:
Если
- радиус, на котором расположено реактивное окно.
- реактивный момент силы тяжести, сообщающий угловое ускорение ротору.
Δt - время действия силы.
p
Δω - изменение угловой скорости ротора.
p
J - момент инерции ротора.
L - угловой момент ротора.
p
p
т
то ΔL=J⋅Δω=M⋅Δt
(Х. Кухлинг. С. 104, 105)
и
Одновременно с началом вращения ротора, при условии, что жидкость вращается как за одно целое с ротором, то есть имеет те же угловые приращения, то при установившемся вращении каждая ее частица, находящаяся на расстоянии  от центра вращения, подвержена действию центростремительного ускорения
(Т.М. Башта. Машиностроительная гидравлика. Москва: «Машиностроение», 1971 г. С. 78).
Для нашего случая давление на радиусе , где расположено реактивное окно согласно Т.М. Башта, с. 78, будет:
где γ - удельный вес жидкости.
Если
и
P - давление сил инерции центростремительного ускорения жидкости на радиусе;
A - площадь реактивного окна;
то согласно закону Паскаля сила инерции центростремительного ускорения жидкости, воздействующая на свод стенки ротора с возможностью его вращения, будет:
и
и
F=P⋅А;
если
ρ - плотность жидкости,
и
V - перемещаемый инерционный объем жидкости в направлении реактивного окна,
- толщина кольцевой массы жидкости,
то подвижная рабочая (расчетная) инерционная масса будет
и
Накопленная работа по перемещению массы  с радиуса  на радиус  силой инерции центростремительного ускорения жидкости в виде потенциальной энергии перепада давления (инерционного напора) будет:
(Т.М. Башта, с. 77).
Кинетическая энергия силы инерции центростремительного ускорения будет:
Если принять, что
п.и
к.и
W=W
то скорость истечения жидкости из реактивного окна будет:
п.и
2
Так как потенциальная энергия силы инерции центростремительного ускорения жидкости W является функцией квадрата угловой скорости ω, то:
и
и
где Q - объемный расход
Если:
т
P - давление столба жидкости,
и
P - давление силы инерции центростремительного ускорения,
полн
то полное давление Р будет
полн
т
и
Р=P+P.
Отсюда полная реактивная сила давления, воздействующая на свод стенки ротора с возможностью его вращения, будет:
полн
т
и
F=F+F.
Полный реактивный момент:
Реальная угловая скорость ротора при установившемся вращении будет равна:
где t - время разгона.
Если
- вертикальное движение массы столба жидкости;
- центростремительная сила свода стенки ротора, действующая на жидкую кольцевую массу,
ц
то работа W центростремительной силы в направлении вертикального перемещения будет равна:
(Х. Кухлинг, с. 77).
И наоборот:
если
- радиальное перемещение инерционной массы;
- сила тяжести столба жидкости,
т
то работа W силы тяжести в радиальном направлении будет равна
и
п.т
п.и
ц
и
т
и
полн
т
и
Вывод. Работа силы тяжести и работа центростремительной силы совершаются независимо друг от друга. Так как энергия - это накопленная работа, то потенциальная энергия W работы силы тяжести и потенциальная энергия W работы центростремительной силы F в виде силы инерции F будут также независимы друг от друга. Если эти потенциальные энергии обусловлены соответствующими им давлениями P и P, то эти давления будут также независимы друг от друга и P=P+P.
Полная потенциальная энергия, обеспечивающая вращение ротора, будет:
п. полн
п.т
п.и
W=W+W.
Работа силы тяжести столба жидкости по вращению ротора обеспечивается:
1. Потенциальной энергией силы тяжести столба жидкости.
2. Законом Паскаля.
3. Преобразованием потенциальной энергии силы тяжести столба жидкости в кинетическую энергию вращения ротора за счет реактивного момента импульса силы тяжести.
Работа силы инерции центростремительного ускорения жидкости по вращению ротора обеспечивается:
1. Вращением от любого, включая возобновляемого, источника энергии.
2. Бесплатной работой силы центростремительного ускорения жидкости.
3. Третьим законом Ньютона.
4. Бесплатной потенциальной энергией силы инерции центростремительного ускорения.
5. Законом Паскаля.
6. Преобразование потенциальной энергии сил инерции в кинетическую энергию вращения ротора за счет реактивного момента импульса силы инерции.
Если все тела, включая жидкости, согласно Третьему закону Ньютона обладают инерцией, то относительно жидкостей напрашивается «крамольная» мысль - нас окружает океан практически неисчерпаемого источника энергии в виде силы инерции центростремительного ускорения жидкостей.
Изложенная выше сущность изобретения позволяет решить поставленную техническую задачу по обеспечению работоспособности за счет использования дополнительной энергии в виде потенциальной энергии силы тяжести столба жидкости, что делает замкнутую механическую систему прототипа разомкнутой.
Если
т
Q - объем жидкости, потребляемый машиной, под действием силы тяжести,
и
Q - объем жидкости, потребляемый машиной под действием силы инерции,
h
Q - максимальной объемный расход жидкости, потребляемый машиной, не влияющий на снижение высоты h столба жидкости,
то
Если
Q - объемный расход жидкости, потребляемый машиной, влияющий на снижение высоты столба жидкости,
сл
A - площадь проходного сечения сливного вентиля, обеспечивающая слив объема жидкости, равного не более Qh из роторной полости статора, то роторная полость статора будет заполняться жидкостью, с приращением объема в единицу времени, равного:
ΔQ=Q-Qh,
и
т
При условии, что давление силы инерции Р при определенной угловой скорости ω ротора будет больше давления Р силы тяжести, то при полном заполнении роторной полости клапаны коллектора откроются. Объем жидкости, поступающий во всасывающее отверстие, при этом будет:
т
Q+ΔQ.
Объем жидкости, равный ΔQ, будет циркулировать по замкнутому контуру, что позволит обеспечить постоянную высоту h столба жидкости, что так же расширяет технические возможности роторной машины.
Здесь нужно заметить, что циркуляции части объема жидкости по замкнутому контуру способствуют также и то, что область всасывания, расположенная вдоль вертикальной оси ротора, будет иметь пониженное давление.
Таким образом, добавление в роторную машину коллектора с клапанным устройством и регулируемых вентилей также расширяет технические возможности машины.
Изложенная выше сущность изображения способствует открытию нового направления развития техники вопреки сложившемуся мнению специалистов. Появляется возможность использования силы инерции центростремительного ускорения вращающейся жидкости в качестве нового экологически чистого, возобновляемого источника энергии в дополнение ко всем известным.
Решению этой давно стоявшей технической задачи способствовало ощущение острой необходимости в создании такого источника.
Так как в роторной машине используется одновременно потенциальная энергия силы тяжести столба жидкости и потенциальная энергия силы инерции вращающейся жидкости, то за счет последней, без снижения мощности, появляется возможность снизить высоту столба жидкости, что делает роторную машину экологически безопаснее и компактнее.
2
Это обусловлено тем, что потенциальная энергия силы инерции центростремительного ускорения жидкости пропорциональна квадрату угловой скорости ее вращения (ω), что придает также новые качества машине в виде положительного эффекта, а точнее - неожиданного эффекта.
Кроме того, предложенное техническое решение будет способствовать открытию нового направления использования нанотехнологий, заключающееся в создании рабочих жидкостей, обладающих повышенной плотностью.
На фиг. 1 изображен общий вид машины в виде полуконструктивной схемы.
На фиг. 2 – поперечный разрез ротора А-А, расположенный выше реактивного окна.
На фиг. 3 показан поперечный разрез ротора Б-Б, проходящий по реактивному окну.
Роторная машина содержит (фиг. 1) статор 1, заполняемый жидкостью, ротор 2, размещенный в нем так же с возможностью заполнения его жидкостью и вращения ее с одинаковой с ротором угловой скорости посредством, например, радиальных перегородок 3 и 4. Корпус ротора 2 снизу ограничен нижней герметичной торцовой стенкой 5.
На боковой поверхности корпуса ротора 2, ближе к нижней торцовой стенке 5 на радиусе , меньшем радиуса  (фиг. 3), расположено реактивное окно 6 с возможностью вращения ротора 2 за счет энергии жидкости, вытекающей из этого окна.
Кроме того, ротор 2 может получать вращение с помощью разгонного устройства 20, включающего в себя привод 7 и обгонную муфту 19.
Корпус ротора 2 сверху ограничен верхней торцовой стенкой 8 со всасывающим отверстием 9, выходящим в коллектор 10, на входе которого установлен регулируемый вентиль 11, сообщенный посредством трубопровода 12 источником питания жидкостью 13.
Одновременно коллектор 10 посредством клапанного устройства 14 сообщен с роторной полостью статора 15, выполненной с возможностью слива из нее жидкости через регулируемый вентиль 16. Развиваемая валом 17 мощность снимается генератором 18.
Кроме того, на фиг. 1 показаны:
h - высота расположения источника питания 13.
Н - высота корпус ротора.
о
Н - высота реактивного окна 6.
о
Д - диаметр всасывающего отверстия 9.
ср
Д - диаметр, на котором расположено окно 6.
Д - диаметр цилиндрической поверхности ротора 2.
На фиг. 3 показаны условно для расчетов радиус  всасывающего отверстия 9 и радиусы  и .
В исходном положении регулируемые вентили 11 и 16 полностью перекрыты.
Внутренние объемы статора 1 и ротора 2 жидкостью не заполнены.
Открывается вентиль 11. Во избежание гидроудара открытие вентиля должно переходить плавно. Одновременно с началом открытия вентиля 11 начинает открываться вентиль 16 до полного его открытия, обратные клапаны 14 при этом под действием своего веса и статического давления закрыты.
Так как статическое давление на любой глубине одинаково во всех направлениях, то на глубине h, где расположено реактивное окно 6, возникает реактивный момент импульса силы тяжести столба жидкости.
При этом кратковременно включается привод 7 разгонного устройства 20, обеспечивающий достаточный момент импульса для преодоления силы трения покоя и для начального вращения. После этого привод 7 разгонного устройства отключается и благодаря обгонной муфте 19 ротор 2 начинает самостоятельно вращаться под действием реактивного момента импульса силы тяжести столба жидкости. Используется потенциальная энергия силы тяжести столба жидкости.
Одновременно с началом вращения ротора 2 появляется потенциальная энергия силы инерции центростремительного ускорения жидкости и, как следствие, - реактивный момент импульса от этой силы.
2
Здесь нужно заметить, что если потенциальная энергия веса столба жидкости является постоянной величиной, то потенциальная энергия силы инерции центростремительного ускорения вращающейся жидкости величина не постоянная и пропорциональна квадрату угловой скорости вращения ротора, т.е. ω.
Так как эти две потенциальные энергии при работе суммируются, то по мере набора оборотов составляющая потенциальной энергии инерции будет возрастать и как следствие - инерционный объем жидкости, потребляемый машиной, будет так же возрастать.
При определенной угловой скорости вращения ротора 2 объемный расход Q машины может превысить предельный объемный расход Qh, источника питания 13, в результате чего высота h столба начнет падать.
сл
Для предотвращения этого уменьшают проходное сечение А сливного вентиля 16 до величины, обеспечивающей стабильную высоту h столба жидкости, при этом часть объемного расхода (ΔQ) будет заполнять подклапанную полость 15 статора.
Когда подклапанная полость 15 полностью заполнится, то из-за перепада давления клапаны 14 откроются и часть объемного расхода (ΔQ) начнет циркулировать по замкнутому контуру. Перепаду давления и циркуляции будет способствовать так же и то, что область всасывания, расположенная вдоль вертикальной оси ротора 2, будет иметь пониженное давление.