Устройство для создания в потоке текучей среды гидродинамической подъемной или движущей силы
APPARATUS FOR CREATING A HYDRODYNAMIC LIFTING OR DRIVING FORCE IN A FLUID FLOW

Изобретение относится к гидродинамике, а именно, к устройствам роторного типа выполняющим функции крыла, лопасти или лопатки и может быть использовано в авиации, судостроении, энергетике, турбо-, компрессоро- и насосостроении.
Известно устройство для создания в текучей среде гидродинамической подъемной или движущей силы путем взаимодействия со средой тел специальной формы при их обтекании (см. кн. К.К. Федзевского, Я.И. Войткунского и Ю.И. Фаддеева, Гидромеханика, Л.: «Судостроение», 1968 г., с. 375).
По сравнению с предложенным устройством, известное обеспечивает значительно меньшее значение коэффициента подъемной силы, а, следовательно, при прочих равных условиях и значительно меньшую подъемную или движущую силу.
Известно устройство, выполненное в форме плоского крыла с предкрылком (см. заявку ФРГ №3837812, В64С 3/10, журнал «Изобретения стран мира» №4-6, 1991 г.), причем предкрылок выполнен в форме цилиндрического ротора, установленного параллельно плоскому крылу с возможностью вращения.
По сравнению с предложенным устройством известное имеет значительно большие габариты и вес при равной подъемной силе.
Известно устройство для создания в потоке текучей среды гидродинамической подъемной или движущей силы (см. ИР №12, 1985 г. Стр. 23). Согласно этому проекту роторное крыло раскручивают путем тангенциального обдува средой его верхней части и подъемная сила создается за счет взаимодействия набегающего потока и вращающего ротора.
Само устройство состоит из роторного крыла и средства для его обдува с приводом, закрепленных на несущей конструкции.
Однако при таком способе раскрутки ротора его скорость вращения будет меньшей скорости набегающего потока, за счет потерь на вращение ротора, т.е. отношение этих скоростей будет меньшим единицы. А гидродинамические испытания роторов показали (см. сб. Теплофизика и аэромеханика, 2005, том 12, №1, стр. 162), что во всех случаях, при таком соотношении этих скоростей, коэффициент подъемной силы составляет меньше единицы, при том, что классическое крыло позволяет достичь значений этого коэффициента на уровне 1,2-1.5, т.е. роторное крыло, при использовании этого устройства, уступает более простому и эффективному классическому крылу.
Известно, кроме того, устройство выбранное за прототип по большинству существенных признаков (см. статью М. Кочунова, Эффект Магнуса - в воздухе и под водой, журнал «Изобретатель и рационализатор» №6, 1985 г. с. 23). Это устройство состоит из цилиндрического ротора с приводом закрепленного на несущей конструкции с возможностью вращения.
По сравнению с заявленным устройством прототип требует для создания подъемной силы более высоких энергозатрат, поскольку используемое в нем роторное крыло, помимо очень высокого коэффициента подъемной силы, имеет аномально высокий коэффициент гидродинамического сопротивления достигающий 3,5-4, что более чем в сто раз превышает аналогичный показатель классического профильного крыла.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства за счет изменения конструкции, как самого устройства, так и его деталей и введения в него нового элемента, что снижает гидравлическое сопротивление вращающегося ротора потоку и обеспечивает снижение энергозатрат.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для создания в потоке текучей среды гидродинамической подъемной или движущей силы, состоящем из ротора с приводом закрепленного на несущей конструкции с возможностью вращения, согласно изобретению, место расположения ротора было условно разбито на две зоны: верхнюю зону, в которой мгновенные скорости элементов поверхности вращающегося ротора имеют составляющие, совпадающие по направлению с потоком и нижнюю зону, в которой мгновенные скорости этих элементов имеют составляющие, направленные против потока, и контакт потока с поверхностью ротора был устранен, по меньшей мере, в его нижней зоне.
Причем контакт потока с поверхностью ротора был устранен путем изолирования его поверхности в указанной зоне от воздействия потока.
А изолирование поверхности ротора от воздействия потока было осуществлено с помощью непроницаемого для потока экрана закрепленного на несущей конструкции и установленного относительно ротора с зазором, не допускающим протекание потока через него.
И несущая конструкция, по меньшей мере, в месте установления ротора, была выполнена в виде непроницаемой для потока пластины, а экран был установлен с примыканием к ней и перекрытием потока перед нижней зоной ротора.
Или, чтобы экран был выполнен в виде пластины соответствующей по форме и размерам изолируемой части ротора.
Причем нижняя, не прилегающая к ротору часть экрана, была выполнена с обеспечением минимального гидродинамического сопротивления потоку экранированного ротора в целом.
Для чего экран был выполнен в виде протяженного тела, имеющего в поперечном сечении форму трапеции с криволинейным верхним основанием, соответствующим поверхности ротора.
Или, чтобы несущая конструкция была выполнена в виде непроницаемой для потока пластины, по меньшей мере, в месте расположения ротора, и в ней под ротором была выполнена выемка, соответствующая по форме и размерам нижней части ротора, или аналогичное отверстие, а сам ротор был установлен на несущей конструкции с погружением его нижней зоны в эту выемку (отверстие) и обеспечением необходимого зазора для вращения ротора и не протекания потока через него.
Кроме того, чтобы роторы были выполнены цилиндрическими с установленными на их концах шайбами и с внешней стороны эти шайбы были прикрыты установленными с зазором на несущей конструкции неподвижными экранами размеры которых перекрывают размеры шайб.
А верхняя зона была увеличена за счет прилегающих к ней частей нижней зоны.
Причем, чтобы верхняя зона была увеличена за счет областей нижней зоны, в которых составляющие мгновенных скоростей вращения направленные против потока имеют относительно небольшие значения.
Взаимодействие потока, омывающего ротор в его верхней зоне, с поверхностью вращающегося ротора создает большую часть подъемной силы. Причем, при 2-5 кратном превышении скорости вращения ротора над скоростью потока, что соответствует нормальному режиму его работы, поток в верхней зоне ротора не тормозится, а ускоряется, то есть ротор в этой зоне создает не сопротивление, а тягу. Сопротивление набегающему потоку создается за счет взаимодействия потока и поверхности вращающегося ротора в его нижней зоне. Очевидно, что исключение контакта потока с поверхностью ротора в этой зоне приведет как минимум к существенному снижению сопротивления, а как максимум, к появлению тяги.
Устранение контакта потока с поверхностью ротора путем ее изолирования от потока в указанной зоне является одним из вариантов решения задачи.
Установка перед нижней зоной ротора непроницаемого для среды экрана, размещенного относительно ротора с зазором, не допускающим протекание среды в направлении набегающего потока, является одним из вариантов изолирования.
Выполнение несущей конструкции в виде непроницаемой для среды пластины и закрепление на ней экрана выполненного так же в виде пластины и установленного перед нижней зоной, является одним из вариантов устройства для реализации заявленной задачи. Сопротивление потоку в этом варианте будет обусловлено только вихреобразованием потока за ротором и сопротивлением, возникающим при обтекании экрана.
Выполнение экрана в виде пластины соответствующей по форме и размерам экранируемой части ротора реализует второй вариант устройства позволяющий решить поставленную задачу. Сопротивление потоку в этом устройстве будет создаваться только за счет взаимодействия с ним поверхности экрана. А его можно дополнительно снизить изменив соответственным образом форму внешней части экрана, например, выполнив его в виде протяженного тела имеющего в сечении форму трапеции с криволинейным верхним основанием.
Минимальное сопротивление потоку обеспечивает третий вариант заявляемого устройства, в котором в несущей конструкции, изготовленной из непроницаемой для среды пластины, в месте установления ротора выполнена соответствующая выемка и ротор установлен на ней с погружением в эту выемку его нижней зоны. В этом случае поток от взаимодействия с ротором будет в большинстве случаев не тормозиться, а только лишь ускоряться.
Установление на концах роторов шайб прикрытых неподвижными экранами позволит снизить влияние концевых эффектов и, следовательно, и энергозатраты.
Увеличение размеров верхней зоны за счет прилегающих к ней частей нижней зоны позволяет повысить подъемную силу.
А если осуществить это за счет областей нижней зоны, где составляющие мгновенных скоростей вращения элементов поверхности ротора направленные против потока имели относительно небольшие значения, то можно избежать существенного прироста сопротивления.
Изобретения пояснены иллюстрациями некоторых вариантов устройства. На фиг. 1 изображен первый вариант устройства, на фиг. 2 - второй вариант с версиями а) и б), а на фиг. 3 - третий вариант. На всех иллюстрациях элементы устройств обозначаются следующим образом: 1 - вращающийся ротор, 2 - часть несущей конструкции, 3 - изолирующий экран, а приводы всех роторов не показаны.
Предлагаемые устройства состоят из ротора 1 с приводом закрепленного на несущей конструкции 2 с возможностью вращения. В первых двух вариантах устройств поверхность ротора 1 изолирована от взаимодействия с потоком в его нижней зоне с помощью экрана 3. А в третьем варианте устройства, изолирование поверхности ротора в его нижней зоне от взаимодействия с потоком осуществлено путем погружения его нижней части в специальную выемку или в соответствующий вырез.
Устройства работают следующим образом. При введении в контакт вращающегося ротора 1 с потоком текучей среды, взаимодействие этого потока с поверхностью ротора 1 в его верхней зоне создает на поверхности ротора 1 необходимую подъемную силу. И поскольку поверхность ротора 1 в его нижней зоне с потоком не взаимодействует, то сопротивление потоку будет создаваться лишь экранами 3 (варианты 1 и 2) и областями нижней зоны на которые была увеличена верхняя зона. Однако в любом случае, создаваемое сопротивление будет значительно меньшим, чем то, которое возникает при реализации прототипа.