Колебательный водометный движитель, содержащий рабочий огран по принципу биения хлыста
OSCILLATORY WATERJET DRIVE, CONTAINING WORKING BODY ON WHIP BEAT PRINCIPLE

Настоящее изобретение относится к движителю с колебательным движением в среде и может быть использовано для создания движителя с циркулярным колебательным перемещением рабочего органа.
Известен принцип движения тела в жидкостной среде путем вращения жгутика по типу пропеллера вместе с осевым вращением, однако применение встречается в ограниченном количестве моделей, в основном, в конструировании микро- и нанороботов. Технически гидродинамика жгутика близка к гидродинамике винта за исключением более выраженного эффекта "проваливания в среду", но со значительно меньшим кавитационным эффектом. Преимущества жгутика перед винтом таковы, что при изменении скорости вращения и скорости среды конфигурация рабочего органа самопроизвольно, за счет эластичности, меняется (спираль движения сжимается и растягивается, а также сужается и расширяется) таким образом, чтобы гидродинамические потери движения были бы минимальны. При инерционном движении в среде жгутик занимает позицию минимального сопротивления среде, вытягиваясь вдоль движения. Для классического винта такое возможно только с применением технически сложных систем переменного шага. Общая техническая проблема реализации как винта, так и жгутика в представленных в литературе моделях заключается в том, что для передачи вращательного движения на ось требуется дейдвудная, магнитомуфтовая или какой-либо вариант сальниковой герметизации оси вращения, что сводит преимущества простоты создания рабочего органа к узкоспециализированным, дорогим, обслуживаемым техническим решениям, вынужденному широкому использованию точного машиностроения, повышению шумности, снижению КПД установки в целом из-за потерь в системе подвода мощности.
Известно устройство по авт.св. РФ №2469752 кл. А61М 37/00 "Прочие устройства для введения лекарственных и других средств в организм человека; перкутация, те введение лекарств в организм путем диффузии через кожный покров".20.12.2012. Изобретение относится к медицинским приборам и предназначено для транспортировки лекарственных веществ в труднодоступные места живого организма с высокой эффективностью. Устройство содержит гибкий чехол корпуса, гибкие жгутики гребного механизма, пьезоэлектрические поворотные электроприводы гребного механизма, блок питания, блок управления, блок получения и передачи изображения, контейнер для транспортировки лекарственных веществ с управляемой заслонкой, жгутик движителя с пьезоэлектрическим двигателем, прочие вспомогательные устройства.
Недостатки устройства следующие:
- низкий КПД движителя за счет потери энергии в стороны при вращении жгутика, часть энергии расходуется на движение окружающей среды в стороны от оси движения;
- потери за счет дополнительного трения в среде при вращении жгутика вокруг собственной оси - 1 оборот за рабочий цикл;
- потери в передаче энергии с двигателя за счет сальников, или муфт, или при работе пьезопривода непосредственно в среде;
- необходимость герметизации узла передачи мощности двигателя;
- большое количество контактирующих со средой различных материалов, которые надо защищать от агрессивных сред, что создает значительное удорожание технологии, а в медицинском применении еще и необходимость сертификации всех материалов на безопасность использования.
Наиболее близким к заявляемому является известное устройство тонкого микроробота, разработки университета Монаш, Австралия (Monash UniversityinAustralia, Dr. James Friend), который включает в себя микромотор, предпочтительно ультразвуковой (пъезо), заключенный в герметичную капсулу с магнитной муфтой передачи вращательного движения на группу из трех жгутиков (в качестве прототипа взята бактерия Е.Colli, содержащая три жгутика).
Недостатки устройства следующие:
- низкий КПД движителя за счет потери энергии в стороны при вращении жгутиков;
- потери за счет дополнительного трения в среде при вращении жгутика вокруг собственной оси - 1 оборот за рабочий цикл;
- потери в передаче энергии с двигателя за счет магнитных муфт;
- необходимость герметизации узла передачи мощности двигателя;
- большое количество контактирующих со средой различных материалов, которые надо защищать от агрессивных сред, что создает дополнительное удорожание технологии, а в медицинском применении еще и необходимость сертификации материалов на безопасность использования.
Аналогов, или близких по принципу к предлагаемому изобретению изделий в изготовлении, или проектировании макрообъектов не найдено.
Сущность изобретения заключается в преобразовании вращательной энергии в поступательную технологически простым способом, в создании принципиальной схемы ранее не использовавшегося движителя на основе хлыстового биения рабочего тела, применимого в диапазоне от движителей нано- и микророботов до движителей судов.
Технический результат позволяет:
1. Использовать геометрию вращения (хлыстового биения) рабочего органа без вращения последнего вокруг собственной оси;
1. Снизить потери на взаимодействии со средой;
2. Упростить конструкцию в сравнении с аналогами, получить возможность применения штампа и дешевых материалов;
3. Исключить необходимость передачи механической энергии извне системы;
4. Исключить необходимость создания и герметизации дейвудной, сальниковой или подобной системы;
5. Свести к минимуму количество движущихся частей и площадь трущихся поверхностей (последнее, в зависимости от технического решения, вплоть до нуля);
6. Использовать один материал для создания всей контактирующей с внешней средой поверхности (к примеру, штамп из полиэтилена, резины, силикона, латекса и пр.), что удешевляет производство, позволяет использовать изделие в любых агрессивных средах, а в случае медицинского применения - упрощает сертификацию материалов;
7. Снизить эффект «проваливания в среду» рабочего тела за счет применения внешнего тоннеля;
8. Снизить потери, связанные с «рассеиванием» мощности, передаваемой в среду в поперечном направлении относительно оси движения, за счет применения внешнего тоннеля;
9. Использовать на любом диапазоне глубин и температур среды без модификации конструкции;
10. Использовать самопроизвольное спрямление рабочего органа до бесконечного шага при инерционном движении, что резко снижает сопротивление движителя при инерционном движении объекта в среде;
11. Исключить потери трения в механизмах подвода мощности из-за отсутствия таковых;
12. Применить принцип жгутикового/хлыстового движителя на макрообъектах;
13. Исключить из схемы движителя внешние движущиеся части и соединения;
14. Реализовать самопроизвольную подстройку рабочего тела (аналог шага винта и угла атаки) под условия скорости потока, мощности и скорости вращения с самопроизвольным созданием гидродинамически оптимальной геометрии;
15. Реализовать устойчивую к кавитации схему (рабочий орган круглого сечения, без участков создания зон значимых отрицательных давлений), что позволит наращивать мощность значительно больше, чем у винта, с применением недорогих конструкционных материалов и без точного машиностроения;
16. Быстро, широко и тонко регулировать скорость потока и мощность с наличием экономичного (резонансного), самого малого (беззвучного, доли, единицы и десятки герц) и форсированного хода вплоть до ультразвукового диапазона колебаний рабочего органа;
17. Осуществлять малошумное движение для обеспечения скрытности объекта, имитации акустической картины живых объектов;
18. Масштабировать модель для создания на данном принципе движителя от нанороботов до надводных и подводных судов большого водоизмещения;
19. Использовать изделие в качестве регулируемого насоса деликатных жидкостей, не терпящих разрушения структур (кровь, компоненты крови, эмульсии), а также грубодисперсных взвесей любого рода.
Техническое решение заключается в том, что рабочий орган (здесь и далее «хлыст») совершает в основании качательно-круговые движения, описывая конус и, далее, спираль по типу хлыстового биения за счет инкапсулированной и интегрированной в основании силовой установки, или ее части, колебательных движений требуемой частоты и амплитуды. Следует отметить, что хлыст не вращается вокруг собственной оси, как жгутик, будучи закрепленным на корпус опоры. В качестве интегрированной силовой установки могут служить электродвигатель с эксцентриком, или безвальный вибродвигатель, или электромагнитный привод с внешними обмотками, или магнитами, или различные варианты последовательной деформации основания хлыста за счет пъезоэффекта, или «искусственных мышц» на базе полимеров. Движитель выполнен в виде цилиндрической камеры круглого сечения с открытыми торцами (тоннель), в передней части которой в осевом положении на, как минимум, одной обтекаемой опоре закреплен рабочий орган круглого сечения, удлиненно-конической, или цилиндрической, или конически-цилиндрической гидродинамически оправданной формы, изготовленный из упруго-эластичного материала (к примеру, армированный силикон, резина, обрезиненная пружина) с возможностью перемещения в камере циркулярно по типу хлыстового биения. Камера превращает маховый движитель в водометный. Наличие камеры, в принципе, необязательно, однако целесообразно и предназначено для уменьшения эффекта проваливания в среду, для исключения турбуленции при взаимодействии струи с окружающей средой, как результат - для повышения эффективности работы движителя, для возможности регулировки вектора тяги всей установки и безопасности эксплуатации для избегания коллизий с окружающими объектами. Движитель в сборе может также быть выполнен в виде сборки с одинаковыми параллельными цилиндрическими ячейками (камерами), в которых размещены элементарные единицы описываемого движителя, суммарные внешние колебания которых, передаваемые на общий корпус, могут быть синхронизированы в противофазе и нивелированы, что приведет к снижению вибрации, шумности работы и повышению прямолинейности вектора тяги. Внутри основания рабочего тела, в герметичной капсуле, жестко сцепленной с основанием хлыста, размещена энергоустановка, или ее движущаяся часть, сообщающая колебательные движения. В случае инерционного движения объекта в среде, сопротивление среде минимизировано за счет самопроизвольного спрямления эластичного рабочего тела (рис. 5). Подвод электрической мощности к силовой установке осуществляется проводами через описанную выше опору.
Технические решения интегрированной силовой установки следующие:
1. Двигатель и эксцентрик
Рис. 1 и рис. 2 (эскизы, масштаб не соблюден)
Внутри рабочего тела 1 герметично, на коаксиальной оси 4, в единой жесткой капсуле 2, размещен электродвигатель 5 с отдаленным эксцентрическим маховиком 3 на валу вдоль оси вращения. Система двигатель-маховик зафиксирована на оси 4 вращения рабочего органа в сбалансированной точке, оптимальной (экспериментально определенной для каждого из соотношений размеров, материалов и масс) для приложения сил к рабочему органу. При этом маховик вращается свободно в пределах общей полости внутри капсулы, будучи расположенным на определенном удалении от оси вращения двигателя. Непосредственно передача вращательно-колебательных движений осуществляется с корпуса двигателя через окружающую капсулу на рабочий орган, в противофазе от маховика. Целесообразно помещение установки в тоннель 6 (трубу) круглого внутреннего сечения для соблюдения безопасности и уменьшения эффектов «проваливания» в среду и поперечного (относительно движения) «разбрасывания» среды. Возможно зеркально обратное расположение, когда двигатель расположен дальше маховика от точки крепления рабочего органа, при этом передача колебаний также осуществляется за счет стенок капсулы (рис. 3). Возможна (и более перспективна) «противовесная» схема (рис. 4), в которой двигатель 5 и маховик 3 находятся по разные стороны от центра качания на опоре 7, и/или с передачей момента сил через дополнительный упруго-эластичный стержень 8. «Противовесная» схема позволяет использовать более крупногабаритные двигатели и маховики, а также, при необходимости, вынести двигатель и маховик за пределы осевого положения. Возможно использование известных безвальных вариантов эксцентрических двигателей, расположенных в перпендикулярной плоскости относительно оси хлыста. При увеличении частоты вращения и неизменных свойствах среды, шаг колебания хлыста за счет эластичности самопроизвольно укорачивается до определенных пределов, угол атаки к среде уменьшается до гидродинамически оптимального, и наоборот при уменьшении частоты, чем обеспечивается равномерная нагруженность формирующегося винта при изменении мощности.
Данные варианты размещения силовой установки позволяют превратить всю энергию вращения (за исключением потерь в системе электродвигатель-маховик) во вращательные колебания требуемой частоты и амплитуды, передаваемые на рабочий орган. При этом хлыст не вращается вокруг собственной оси, чем не создает дополнительного трения о среду, как в классической схеме жгутика.
2. Применение соленоидов, электромагнитных приводов, пъезоприводов, «искусственных мышц» и пр.
Несколько усложняет электрическую часть, требует введения микроконтроллеров и датчиков вращения для синхронизации, уменьшает масштабируемость, в частности на больших объектах эффективность может быть снижена. Однако при использовании в предлагаемой схеме размещения внутри рабочего тела, также может быть рассмотрена в дальнейшем при необходимости создания, к примеру, практически бесшумных безвибрационных низкооборотистых приводов, в том числе и имитирующих виброакустическую картину живых объектов.
Конструкция, в отличие от прототипов и аналогов, не содержит дополнительных устройств (упоров, защелок, пластинчатых пружин, рычагов, сальников, дейдвудов, каналов, клапанов, шатунов) для обеспечения работы. Герметичное подведение электрической энергии по проводам и отвод тепла (при контакте корпуса двигателя с капсулой, рабочим органом и, далее, со средой) не представляют технических проблем. Дешевизна электрических двигателей и простота схемы позволяет сделать сменный рабочий орган (и даже всю элементарную ячейку) в сборе, который может быть заменен отдельно или вместе с корпусом при износе. Главным достоинством данной схемы является генерация колебаний непосредственно в рабочем теле, без необходимости создания дейдвудных, сальниковых и прочих систем герметизации движущихся частей. Это позволяет без переделки и дорогостоящих решений применять изделие в условиях различных сред и давлений, в качестве насоса жидкостей, а также в качестве дешевого подводного буксировщика с высоким КПД без ограничения глубин (необслуживаемую герметичную капсулу внутри рабочего тела можно делать сколь угодно прочной). Силовая установка движителя не занимает места вне самого движителя, что позволяет значительно увеличить полезный объем внутри самого плавсредства, или буксируемого объекта с полезной функцией. Схема движителя также может быть применена для создания беспилотных объектов, имитирующих движения живых существ.