ВЕРТИКАЛЬНАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПРОСМОТРА
VERTICAL WIND TUNNEL WITH OBSERVATION POSSIBILITY

Изобретение относится к вертикальной аэродинамической трубе с возможностью просмотра новой конструкции и формы, которая выполняет свое назначение с максимальной безопасностью и эффективностью.
Более конкретно, изобретение относится к аэродинамической трубе, предназначенной для работы на ее вертикальном участке, то есть работы с возможностью слияния потоков воздуха, генерируемых соответствующим средством, в вертикальной области, на конце которой поток воздуха может поднимать объекты. При этом эффект подъема можно наблюдать снаружи, поскольку труба построена из прозрачных материалов. Подъем тел в этой трубе с возможностью просмотра позволяют, как рассматривать эти тела, так и выполнять измерения.
Изобретение создано на основании предшествующего уровня техники путем оптимизации конфигурации трубы, разработки ее конструкции и расположения в ней воздушных пропеллеров.
Другая цель изобретения состоит в обеспечении возможности установки такой трубы для развлечения так, чтобы публика могла получать новые ощущения, а также наблюдать подъем тел или людей на вертикальном участке.
Преимущество изобретения заключается в конструкции и пространственной конфигурации различных участков трубы, прежде всего для обеспечения максимальных рабочих характеристик с минимальным потреблением энергии пропеллером, генерирующим потоки воздуха, и, во-вторых, в способе работы таких пропеллеров, расположенных снаружи труб. Это означает, что они не мешают потокам воздуха, генерируемым этими пропеллерами, что исключает потери в нагрузке, которая создает помеху таким потокам воздуха. Такие потери, в свою очередь, генерируют турбулентность и повышают потребление энергии электродвигателями, которые приводят во вращение пропеллер. Энергия, требуемая для работы аэродинамической трубы, также зависит от ее конструкции. При этом невозможно разделить эти два параметра, поскольку оптимизация формы, в конечном итоге, помогает уменьшить потребляемую энергию при тех же скорости потока и давлении воздуха.
Аэродинамическая труба согласно изобретению выполнена с использованием трех трубопроводов в форме петель, соединенных на концах вертикальным участком. Предпочтительно этот вертикальный участок образован из прозрачных секций. В свою очередь, петли сформированы из разных участков трубопровода, соединенных вместе с помощью соответствующих крепежных элементов, таких как винты или тому подобное. Каждая из трех петель содержит пропеллер, приводимый во вращение снаружи с помощью соответствующего электродвигателя, ось которого соединена с осью пропеллера с помощью ремней, цепей, редукторов или аналогичных приспособлений.
Полученная в результате модель трубы, в основном, содержит следующие части:
- камеру для полетов в виде вертикального участка трубы, в которую помещают пользователей и которая представляет собой место, где поток достигает максимальной скорости;
- три обратных контура, которые включают в себя последовательность прямых участков, по которым поток поступает из выходного отверстия камеры во входное отверстие соответствующей трубы или сжимается с минимальными возможными потерями;
- три сужающиеся трубы, ответвляющиеся от камеры для полетов, в которых поток воздуха ускоряется так, что он попадает в камеру с максимальной скоростью.
Конструкция трубы способствует тому, что потоки воздуха, генерируемые пропеллерами с двигателями, сходятся в одной области; при этом в нижней области трубы они соединяются так, что потоки воздуха и давления, создаваемые этими потоками, суммируются на нижнем участке соединения этих труб и образуют восходящий поток воздуха, способный поднимать тела в этой вертикальной области и обеспечивать возможность их движения внутри трубы.
Проведенные эксперименты и выполненные расчеты позволяют обеспечить работу упомянутой трубы в двух возможных режимах в зависимости от типа использования:
- режим эксперта, в котором скорость воздуха достигает 70 м/с во входном отверстии камеры для полетов и скорости 50 м/с на высоте приблизительно 6 м над уровнем земли. Это позволяет пользователю постоянно удерживаться на этой высоте в горизонтальном положении, а в вертикальном положении - при скорости, равной 65 м/с;
- режим не эксперта, в котором максимальная скорость достигает 55 м/с во входном отверстии камеры для полетов и 50 м/с на высоте 1,50 м над уровнем земли.
Оптимизация трубы выполнена с помощью компьютерного моделирования ее аэродинамических характеристик. Моделирование было проведено с помощью программного обеспечения на основе метода конечных элементов и позволило разработать конструкцию каждой части трубы отдельно. Для каждого участка исследовались различные конфигурации, при этом проверялось их влияние на поток воздуха внутри трубы для уменьшения турбулентности и исключения вихревых потоков, в частности, в наиболее искривленных секциях конструкции. В результате такой оптимизации удалось снизить потребление потребной для работы трубы энергии пропеллерами, что представляет собой важный параметр, гарантирующий жизнеспособность более крупных установок с такой конструкцией.
На рынке существуют трубы разного типа и с различными конфигурациями, включая конструкции с испытательными камерами, расположенными вертикально. Тем не менее, в них отсутствует возможность непосредственного наблюдения того, что происходит внутри, и поэтому требуется оборудовать их техническими средствами наблюдения, для того чтобы представлять снаружи, что происходит на вертикальном участке. Такой подход обычно используется для экспериментов всех видов, например, как описано в ЕР 96919369.6, принадлежащем Sky Venture, Inc, в котором раскрыт имитатор прыжков с парашютом, который включает в себя вертикальную камеру со столбом воздуха, способного поддерживать парашютиста в полете, оборудованную экраном проецирования видеоизображения и другими элементами на одной из ее вертикальных стенок.
В патенте GB №2094162, принадлежащем компании Airflite Inc раскрыто устройство для парения людей, содержащее камеру, в которой создается восходящий поток воздуха, сформированный линейными воздушными трубопроводами, и решетка, которая образует для человека, находящегося внутри, площадку для взлета и другую площадку для посадки с периферийным трубопроводом, в котором люди находятся за пределами потока воздуха.
И, наконец, что также формирует часть предшествующего уровня техники, в заявке WO 2004/022427 описан имитатор полета в состоянии свободного падения, который включает в себя камеру сжатия на нижнем участке с терминалами для нескольких вентиляторов, обращенную к центру конструкции, выходящей в центральную трубу.
Другие подробности и характеристики изобретения будут представлены в приведенном ниже описании со ссылкой на чертежи, которые представляют предпочтительные особенности изобретения и предназначены для иллюстрации, а не для его ограничения.
Подробный список основных частей, показанных на прилагаемых чертежах, приведен ниже: 10 - труба, 11 - возвратный трубопровод, 12 - платформа, 13 - приводной трубопровод, 14 - выхлопной трубопровод, 15 - зажимы, 16 - винты, 17 - электродвигатель, 18 - редуктор, 19 - нижний соединительный участок трубопровода, 20 - верхний соединительный участок трубопровода, 21 - стойки, 22 - прозрачные панели, 23 - вертикальный участок трубы 10, 24 - вентиляторы, 25 - входной участок, 26 - изгибы, 27 - выходной участок, 28 - петли.
На фиг.1 показана труба 10, ее трубопроводы 11, 13, 14, а также верхний соединительный участок 20 и нижний соединительный участок 19 так, что все они формируют петли, вид в перспективе;
на фиг.2 показан вид сверху трубы 10, представляющий радиальную компоновку трубопроводов 11, 13 и 14;
на фиг.3 показан вид в перспективе одного из ответвлений или трубопроводов 11, 13 или 14 с 1/3 частью вертикального участка 23 трубы 10;
на фиг.4 показан вид спереди петли 28 трубопровода в аэродинамической трубе 10.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, показанном на фиг.1 (в масштабе 1:12,5), труба 10 сформирована путем соединения и сборки различных труб вместе с образованием петель 28 так, что эти петли расположены радиально под углом приблизительно 120°. Возвратные трубопроводы 11 собраны так, что их верхние концы удерживается соответствующими соединительными участками 20 в форме звезды, в то время как нижние концы возвратных трубопроводов 11 соединены с цилиндрическими приводными трубопроводами 13. Внутри приводных трубопроводов 13 имеются приводы, представляющие собой электродвигатели 17, кинематически связанные с соответствующими лопастями 24 (не показаны) вентиляторов через редуктор 18, и шкивы или цепи (не показаны), соединяющие ось редуктора с осью вентилятора. В свою очередь, нижние концы возвратных трубопроводов 11, соединенные с нижними концами приводных трубопроводов 13 через выхлопные трубопроводы 14, соединяются с соединительным участком 19 в виде звезды. Конструкция также включает в себя различные направляющие перегородки (не показаны) внутри труб, которые расположены на верхнем и нижнем участках области полетов, в частности в соединительных участках 19 и 20 в форме звезды и на оконечных изгибах возвратных трубопроводов 11 с двойным потоком. С одной стороны, это исключает возникновение турбулентности в этих точках из-за изменения направления движения воздуха. С другой стороны, направляющая перегородка, расположенная под вертикальным участком трубы, может изменять распределение скоростей воздуха в области полетов и выполнен так, что скорость подъема вверх увеличивается рядом со стенками в области полетов. Это означает, что ближе к стенкам на центральном участке области полетов удерживающая сила больше, поэтому если пользователь по незнанию приблизится к стенкам области полета из-за отсутствия опыта полетов в свободном падении, градиент скорости, формируемый в результате такого увеличения скорости в направлении стенок, будет перемещать человека обратно в центральную область трубы, снижая тем самым вероятность удара об стенку. Этот эффект показан на фиг.3.
Верхний участок трубы 10 вместе с нижним участком, т.е. участки 20 и 19 соединены с помощью стоек 21 со вставленными в них прозрачными панелями 22, причем стойки соединяют входной участок 25 вертикального участка 23 с выходным участком 27, образуя в результате вертикальный участок 23 трубы 10. Такой вертикальный участок имеет определенную форму, образованную двумя разными коническими стволами. В нижней части вертикального участка в реальном масштабе размеров (от 0 до 3 метров по высоте) диаметр конуса увеличивается от 5 до 5,4 м, при этом стенки образуют угол 3,81° от вертикали, в то время как в верхнем сечении (от 3 до 8 метров по высоте) диаметр увеличивается от 5,4 до 7 м, формируя стенки, расходящиеся под углом 9,09°. Это изменение расхождения вертикального участка трубы изменяет вертикальное распределение скоростей воздуха для получения вариации от 70 до 50 м/с в режиме эксперта на соответствующей высоте. Если бы этого не было сделано, потребовалось бы существенно увеличить общую высоту установки с последующим увеличением затрат на строительство и эксплуатацию, поскольку внутренний воздушный канал будет увеличен, в результате чего потребуется увеличить энергию привода для поддержания стабильного потока.
Труба 10 имеет конфигурацию, показанную в Таблице 1, и характеризуется следующими особенностями:
- форма поперечного сечения контура выполнена круглой на вертикальном участке трубы, овальной на верхнем участке, круглой на нижнем участке и представляет собой дугу окружности 120° в отверстии соединительного участка 19;
- входной участок 25 камеры для полетов или вертикальный участок 23 находится на уровне земли, то есть на высоте 0 м, и сформирован из двух конических стволов с различной степенью расхождения, причем верхний конус расходится в большей степени, чем нижний;
- возвратные участки 11 или изгибы 26 возвратного контура изогнуты под углом приблизительно 135°;
- площадь поперечного сечения возвратного контура изменяется вдоль длины контура.
Таблица 1
Сгенерированные компьютером изображения установки в реальном масштабе
<img file="00000001.tif" he="56" wi="66" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="57" wi="77" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="51" wi="78" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="50" wi="78" img-content="undefined" img-format="tif" />
Динамические условия внутри трубы 10, представленные в Таблице 2, образуются в результате работы электродвигателей 17, которые вращают вентиляторы 24, установленные внутри приводных трубопроводов 13 и приводящие в движение воздух внутри трубы 10, создавая поток воздуха под давлением. Этот воздух поступает в нижний соединительный участок 19, в котором сумма потоков воздуха из возвратных трубопроводов 11, приводимых в движение в результате комбинированных действий электродвигателей и лопастей, подает воздух в вертикальный участок 23, в котором благодаря прозрачным панелям 22 можно видеть, что происходит внутри вертикального участка 23 без необходимости в использовании технических средств наблюдения. Это позволяет преобразовать эти панели в удобную дверь, которая облегчает вход или выход.
Таблица 2
Значения вертикальной скорости, полученные в результате компьютерного моделирования на уровне земли в камере для полетов (показана только эта камера)
<img file="00000005.tif" he="78" wi="159" img-content="undefined" img-format="tif" /><img file="00000006.tif" he="21" wi="173" img-content="undefined" img-format="tif" />
Как видно, максимальная скорость достигается рядом со стенками. Соединения трубопроводов 11, 13, 14, соединительные участки 19 и 20, проходящие вдоль крепежных зажимов (15) и винтов (16) с соответствующими гайками, не показанные на приложенных чертежах, распределены вдоль соединений с обжатием в необходимых местах, в результате чего получается высокоэффективный замкнутый контур с уменьшенным потреблением энергии.
Расчетное потребление энергии для реальной установки, диаметр входного отверстия которой в области полета составляет 5 м, было рассчитано на основе цифрового моделирования. В Таблице 2 показаны некоторые из наиболее существенных результатов. В качестве сравнения представлены значения потребления энергии для открытой трубы (без возвратного контура), в которой воздух отбирается непосредственно снаружи, перемещается вертикально вверх в направлении области полетов, а затем выбрасывается в атмосферу, как описано, например, в ЕР 96919369.6.
Таблица 3
Расчет энергии, потребной для работы аэродинамической трубы диаметром 5 м
Модель трубы
Потребление энергии
Режим не эксперта (v=50 м/с)
Режим эксперта (v=70 м/с)
Открытая труба (без обратного контура)
1,45 МВт
3,98 МВт
Труба с тремя контурами и с направляющими перегородками в соединительном участке 20 и возвратном трубопроводе 11
1,18 МВт
3,17 МВт
Труба с тремя контурами и с направляющими перегородками в соединительном участке 20, возвратном трубопроводе 11 и соединительном участке 19 (худший результат)
1,43 МВт
3,83 МВт
Труба с тремя контурами с направляющими перегородками в соединительном участке 20, возвратном трубопроводе 11 и соединительном участке 19, оптимизированная
0,60 МВт
1,72 МВт
При анализе данных, содержащихся в представленной выше Таблице 3, можно видеть, что поведение трубы 10 трудно прогнозировать без использования цифрового моделирования. Однако конструкция, соответствующая настоящему изобретению, позволяет сэкономить более 50% энергии, потребной для работы открытой трубы.
Другой существенно важный аспект установки такого типа состоит в том, что моделирование должно выполняться для установки в реальном масштабе с учетом того, что законы аэродинамики не линейны и что поведение установки может изменяться при изменении размеров, даже если форма трубопроводов неизменна. Эффект такого изменения можно видеть на примере потребления энергии, которое существенно изменяется при изменении размеров установки.
Всем закрытым аэродинамическим трубам (в которых воздух рециркулирует для экономии энергии привода) присуще свойство нагревания воздуха из-за его трения о стенки, что не пригодно для непрерывной работы трубы. В то время как в модели этот эффект может не учитываться, в реальной установке его нельзя игнорировать, т.к. в процессе работы привод сообщает воздуху значительное количество энергии, в результате чего происходит очень существенное изменение температуры воздуха, особенно при высокой температуре окружающего воздуха. Нагрев воздуха приводит к снижению его плотности в рассматриваемой установке, в результате чего сила, удерживающая пользователя, уменьшится в дополнение к неудобствам, связанным с повышенной температурой. Для исключения такого нежелательного влияния возвратные трубопроводы 11 в установке выполнены с использованием материала, обладающего хорошей теплопроводностью, такого как алюминий, и эти трубопроводы окружены охлаждающей рубашкой, через которую циркулирует холодная вода из внешнего устройства охлаждения. Кроме того, внутри участков 20, 11 и 19 установлены направляющие перегородки, изготовленные из алюминия или аналогичного хорошего проводника тепла, причем в них выполнены каналы, по которым циркулирует холодная вода, подаваемая снаружи. Эти перегородки действуют как дополнительные теплообменники. Выполненные расчеты показывают, что в неблагоприятных условиях (например, при внешней температуре 30°С) при соответствующей мощности охлаждения температура на вертикальном участке трубы или на участке полетов будет изменяться от 27°С в режиме не эксперта до 33°С в режиме эксперта, что считается приемлемым для работы установки.
После достаточного описания настоящего изобретения со ссылкой на приложенные чертежи легко понять, что любые изменения, которые будут рассматриваться как соответствующие, могут быть выполнены, если только эти изменения не меняют сущность изобретения, заявленного в формуле изобретения.