Сопло с истечением масс и прямовыходящим потоком
NOZZLE WITH MASS FLOW AND FORWARD FLOW

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способу работы и устройству сопел с истечением масс для различных двигателей.
Известно сопло Лаваля, представляющего собой газовый канал особого профиля (имеющий сужение при входе газов, а на выходе расширение) для изменения скорости проходящего по нему газового потока. Широко использовано на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных авиационных и водных двигателей. Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании газодинамических расчетов и цилиндрической части.
(https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%9B%D 0%B0%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D 1%8F#)
Известно сопло ракетного двигателя, содержащее расширяющуюся сверхзвуковую часть, внутренняя теплозащита которой выполнена спиралевидной навивкой армирующей ленты. Внутренняя теплозащита сверхзвуковой части сопла содержит армирующее волокно, например углеродное или кремнеземное, и связующее, например, из фенолформальдегидной смолы. В процессе абляции связующего внутренняя теплозащита образует спиралевидную и выступающую в сверхзвуковой газовый поток шероховатость из армирующего волокна высотой не менее чем четвертая часть толщины ламинарного подслоя (RU 2211939, МПК F02K 9/97, опубл. 10.09.2003, бюл. №25).
Ближайшим аналогом является сопло двигателя с истечением масс, содержащее узкую и широкую часть. Сопло со стороны узкой части имеет входные отверстия, ведущие в каналы подачи потока жидкости или газа, которые ведут в спиралевидные канавки внутри сопла. При этом шаг витков спиралевидных канавок постоянно увеличивается, по мере увеличения диаметра сопла, для сохранения угла наклона канавок. Угол наклона витков относительно горизонта выполнен одинаковым, по всей длине канавок сопла (RU 2757789, МПК F02K 9/97, опубл. 21.10.2021 Бюл. №30).
Все существующие винтовые движители создают звуковые колебания. Звуковые колебания создаются самим винтом и конусом спиралеобразным движением воздуха или воды за ним. На винте они образуются за областью низкого давления, турбулентным течением потока воздуха. За винтом поток, спиральным конусом по ходу потока, расходится в разные стороны, создавая по периметру турбулентные завихрения. Они то и создают звук, частота которого зависит от частоты вращения винта. Тяга такого движителя создается самим винтом (подъемная сила крыла). Винтовые движители используются в самолетах, вертолетах, квадрокоптерах и других устройствах. Также к этому относятся реактивные и турбореактивные двигатели.
Шумность возникает от расхождения потока по коническому профилю, вращающихся потоков газов или воды, а так же от винта (приложение №1). Уменьшить шумность можно, организовав прямовыходящие потоки газа или жидкости, т.к. при этом выходящий поток не имеет вращательной составляющей скорости.
Задачей изобретения является увеличение тяги двигателя и уменьшение его шумности.
Предлагаемое изобретение позволяет увеличить тягу винтовых, турбовинтовых, реактивных движителей, за счет использования, силы вращения потока газа или жидкости и уменьшения звукового воздействия на окружающее пространство, за счет изменения траектории потока газа или жидкости от спирально расходящегося конуса до прямого движения.
Увеличение тяги, обеспечивается конической и цилиндрической частью сопла, со спиралевидными (полукруглыми в профиле) канавками внутри конической и цилиндрической части.
Сущностью изобретения является возможность увеличения тяги винтовых, турбовинтовых, реактивных движителей, за счет использования, силы вращения потока газа или жидкости и уменьшения звукового воздействия на окружающее пространство, благодаря устройству заявляемого сопла, позволяющему изменять траекторию движения потока газа или жидкости от спирально расходящегося конуса до прямого движения.
Устройство представляет собой сопло которое, условно, разделено на две части (определяющие его геометрическую форму): коническая 1 часть, с углом наклона стенок 45°, переходящая в цилиндрическую 2. Внутри сопла, по всей его длине, идут спиралевидные канавки 3, на входе сопла имеющие угол наклона от 95° до 130° по отношению к оси сопла (сверху оси), при этом угол наклона канавок 3 постоянен по всей длине сопла. Количество спиралевидных канавок 3 кратно двум; количество и объем канавок 3 может увеличиваться по мере увеличения диаметра входного отверстия сопла. Спиралевидные канавки 3 из конической 1 части переходят в цилиндрическую 2 часть сопла, при этом канавки 3, в цилиндрической 2 части, на выходе сопла, имеют наклон 0°, относительно оси сопла. Количество канавок 3 в цилиндрической 2 части сопла, должно быть кратно четырем.
На фиг. 1 показано изображение спирали в 3-х координатах.
На фиг. 2 показано направление движение потоков газа или жидкости в конической части сопла.
На фиг. 3 показана развертка внутренней стороны цилиндрической части сопла.
На фиг. 4 показано сопло для реактивного двигателя (направление потока газа, схематично показано стрелочками).
На фиг. 5 показано сопло для винтового движителя (направление потока воды или воздуха, схематично показано стрелочками).
Работу заявляемого сопла можно показать на примере использования на реактивном двигателе (фиг. 4):
В процессе работы реактивного двигателя, в камере сгорания «к» образуются продукты горения (газы), которые подаются непосредственно в канавки 3 конической 1 части сопла. На канавки 3 внутри сопла, действует центробежная сила потоков, направленная на стенки сопла, с углом наклона от 95° до 130° по отношению к оси сопла (сверху оси). Вихревые потоки газов двигаются по спиралевидным канавкам 3, создавая давление внутри сопла своей центробежной силой. От взаимодействия с внутренними стенками сопла, газовый поток закручивается по направлению навивки спиралевидных канавок 3 (сверху вниз). В результате, корпус сопла приобретает силу в сторону меньшего диаметра (в рамках второго закона Ньютона), которая может выражаться в увеличении тяги реактивного двигателя, к которому прикреплено сопло. Таким образом, коническая 1 часть сопла получит центробежную силу потока F направленную под 45° относительно оси конической 1 части сопла. Так как сила F упирается в коническую 1 часть изнутри под углом «ϕ», то в формуле это «sin(ϕ)», а сама стенка образующая конус, тоже находится к вертикали под углом, это cos(ϕp).
На выходе из конической 1 части сопла, потоки газа переходят в цилиндрическую 2 часть, в которой происходит изменение траектории движения потока газа от спирального расходящегося конуса до прямого движения, при этом вихревые потоки газов, так же продолжают движение по спиралевидным канавкам 3, создавая давление внутри сопла своей центробежной силой. От взаимодействия с внутренними стенками сопла, газовый поток продолжает закручиваться по направлению навивки спиралевидных канавок 3 (от камеры сгорания «к» к выходу сопла). Причем спиралевидные канавки 3 меняют угол направления потока от угла наклона в конической 1 части до 0°, относительно оси сопла. При таком движении, поток представляет собой массу, которая движется по 1/4 верхней части круга, и центробежная сила от этого, направлена под 45°,относительно оси сопла. В результате, корпус сопла приобретает силу в сторону камеры сгорания «к» под углом 45°, поэтому в формуле «sin(ϕ)» (в рамках второго закона Ньютона), которая может выражаться в увеличении тяги реактивного двигателя, к которому прикреплено сопло.
Заявляемое сопло может работать не только от газового потока, образуемого в результате работы реактивного или турбореактивного двигателя, но и от потока жидкости (воды) или воздуха, принудительно подаваемого, например, винтами «в» плавучего или воздушного судна (фиг. 5). При этом винт «в» должен располагаться внутри конической 1 части сопла, вблизи его узкой части, которая выполняет функцию водозаборника (воздухозаборника).
В процессе работы винта «в», будут создаваться потоки воды или воздуха, выходящие со стороны цилиндрической 2 части сопла, при этом сопло, дополнительно, выполняет функцию кожуха, прикрепленного, например, к корпусу судна. В этом случае сопло может состоять из двух частей (т.е. разрезанное пополам, вдоль оси сопла) стягиваться и совмещаться в единое целое.
Как и в описании предыдущего примера с потоками газа, в данном случае, на канавки внутри сопла, будет действовать центробежная сила потоков воды или воздуха, направленная на стенки сопла, с углом наклона от 95° до 130° по отношению к оси сопла (сверху оси). Вихревые потоки воды или воздуха движутся по спиралевидным канавкам, создавая давление внутри сопла своей центробежной силой. От взаимодействия с внутренними стенками сопла, водяной или воздушный поток закручивается по направлению навивки спиралевидных канавок, которые имеют направленность в сторону потока, создаваемого движением винта. В результате, корпус сопла приобретает силу в сторону меньшего диаметра (в рамках второго закона Ньютона), которая может выражаться в увеличении тяги винтового движителя. И так конусная часть сопла получит центробежную силу потока F направленную под 45° относительно оси конуса сопла. Так как сила F упирается в конус изнутри под углом «ϕ», то в формуле это «sin(ϕ)», а сама стенка образующая конус, тоже находится к вертикали под углом, это cos(ϕ).
На выходе из конической 1 части сопла, потоки переходят в цилиндрическую 2 часть, в которой происходит изменение траектории движения потока от спирального расходящегося конуса до прямого движения, при этом вихревые потоки воды или воздуха, так же продолжают движение по спиралевидным канавкам 3, создавая давление внутри сопла своей центробежной силой. От взаимодействия с внутренними стенками сопла, поток продолжает закручиваться по направлению навивки спиралевидных канавок 3 к выходу сопла. Причем спиралевидные канавки меняют угол направления потока от угла наклона в конической части до 0°, относительно оси сопла. При таком движении, поток представляет собой массу, которая движется по 1/4 верхней части круга, и центробежная сила от этого, направлена под 45°, относительно оси сопла. В результате, корпус сопла приобретает силу в сторону винта «в» под углом 45°, поэтому в формуле «sin(ϕ)» (в рамках второго закона Ньютона), которая может выражаться в увеличении тяги движителя, к которому прикреплено сопло.
Полученная сила сопла, увеличивает скорость выходящих потоков, следовательно и количество массы в единицу времени.
Стенки конической 1 части сопла, выполнены с углом наклона 45°. Так как центробежная сила потока упирается и воздействует на сопло под 45°, а наклон сопла, по отношению к его оси тоже 45°. Поэтому в формуле расчета тяги сопла появляется sin(ϕ)*cos(ϕ), угол 45° является оптимальным.
Формулы для расчетов
Формула для расчета тяги заявляемого сопла:
2
Τ1 = (m*v* sin(ϕ)*cos(ϕ)/(Ra+Rb)/2/ g
T1 - тяга заявляемого сопла
m - масса газов постоянно находящихся в сопле
v - скорость потока газов или жидкостей (м/сек.)
g - ускорение свободного падения для Земли
R - изменяющийся радиус центра витков сопла от Ra до Rb
ϕ - угол наклона витков спирали канавок
Центробежную силу потоков газов или жидкости, можно вычислить по формуле:
2
F = m*(v/(Ra+Rb)/2)*sin(ϕ)*cos(ϕ)
m - масса газов или жидкостей постоянно находящихся в сопле
v - скорость потока газов или жидкостей (м/сек.)
R - изменяющийся радиус сопла от Ra до Rb
ϕ - угол наклона витков спирали канавок
Математическую модель спирали (фиг. 1) можно описать уравнением в параметрической форме, заданное по трем координатам Χ, Υ, Ζ:
X = R*cos(w*t);
Υ = R*sin(w*t);
Ζ = A*t;
R - радиус спирали;
w - частота;
t - время;
А - шаг спирали;
Ось Ζ является осью спирали. Первая производная по Ζ, является скоростью ΔZ/dt = А, вторая производная по Ζ, является ускорением ΔΔΖ/dt = 0. Для того, чтобы ΔΔΖ/dt не было равно нулю, нужно, чтобы скорость точки двигающейся по спирали была функцией А = F(t). Если эта функция положительна, интервал [0; ∞],то шаг спирали увеличивается, соответственно и угол наклона спирали изменяется. Если А = 0, то у нас есть круг и угол наклона витка будет перпендикулярен оси Z, то есть 90°. А если А = ∞, то у нас прямая и наклон витков спирали 0° к оси Z. Или углы наоборот, если рассматривать по отношению основанию сопла.
Решение и получение причинно-следственной связи между предлагаемой конструкцией и техническим результатом (приложение №2).
Согласно математической модели спирали, чтобы спираль имела ускорение надо менять угол наклона спирали от 90° до 0° по отношению к оси спирали (верхняя часть).
Было предложено, что только  часть окружности меняет угол касательной к ней, в таком интервале. Соответственно была взята  часть траектории по окружности и свернута в цилиндр по левому и правому краю развертки, при этом траектория витков совпадает с разных сторон (лево и право).
Для расчетов достаточно использовать общеизвестный расчет центробежной силы возникающей при движении массы по  окружности (приложение №3).
Канавки, направляющие поток, идут строго по траектории  окружности. При таком движении, поток представляет собой массу, которая движется по 1/4 верхней части круга, и центробежная сила от этого, направлена под 45°,относительно оси сопла.
2
F = m*v/R* sin(45°), где
m - Масса потока, постоянно находящегося на участке;
v - Скорость потока;
R - Радиус окружности траектории (пути) участка движения потока;
На входе сопла угол наклона канавок такой же как на выходе из конической части сопла, а на выходе 0° к оси сопла. Если взять за основу развертку сопла и рассчитывать сопло по формуле, то видно, что угол наклона канавок, направляющих поток, должен меняться, как в окружности. Только при изменении угла наклона канавок, направляющих поток, возможен технический результат, рассчитываемый по формуле.
Известно параметрическое уравнение спирали:
x = cos(x*t);
у = sin(y*t);
z = z*t
Первая производная от «z» по «t», дает нам скорость, вторая ускорение, z - это шаг спирали (от витка к витку), скорость рассчитывается тоже от витка к витку.
Угол наклона витков спирали рассчитывается как tg(α) = c/(b/4), где
α - угол наклона витков спирали
с - радиус спирали
b - шаг спирали
Отсюда видно, что если не меняется шаг или радиус спирали, то угол наклона спирали не меняется.
Ускорение спирали, при не меняющемся шаге, равно нулю. Согласно второму закону Ньютона F(сила) = m*a, где
m - масса потока, находящегося в цилиндре;
а - ускорение системы;
Если а = 0, то и F = 0.
Мы меняем угол наклона спирали до 0°, по отношению к оси сопла.
Видно, что z переменная и ускорение системы не равно нулю, соответственно и сила не равна нулю.
Пусть v - скорость потока, v1 - конечная скорость потока, v0 -начальная скорость потока, L - длина пути потока L = 2*π*h/4 = π*h/2, где h - высота цилиндрической части, тогда время t пройденное потоком по пути t = L/(v1-v0), а ускорение будет равно а = (v1-v0)/t, так как у нас скорость прохождения по спирали меняется от v0 до v1.
Согласно второму закону Ньютона F(сила) = m*а,
Конечная формула для математической модели:
2
F(сила) = 2*m* (v1-v0)/π*h
В обычной спирали начальная скорость и конечная одинаковы, и v1-v0 = 0, v1 = v*cos(ϕ1), v0 = v*cos(ϕ0), но определяется скоростью потока из конической части и углом наклона канавок ϕ1 = ϕ0, т.к. угол наклона канавок такой же как угол наклона канавок конической части и такой же на выходе цилиндрической части. Соответственно и ускорение и сила будут равны нулю. В нашей спирали ϕ0 > ϕ1, где ϕ - угол наклона канавок относительно оси сопла. ϕ0 - от 95° до 130°, ϕ1 - 0°, относительно оси сопла.
Применение заявляемого устройства, позволяет увеличить тягу и уменьшить шумность реактивного, турбореактивного двигателя, а также винтового водного или воздушного движителя.
Задача, поставленная перед авторами, выполнена.