МНОГОЛОПАСТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОДЪЁМНОЙ СИЛЫ

Полезная модель относится к области знания, связанной с движением объекта в газообразной или в жидкой среде. Для перемещения объекта в жидкой или газообразной среде необходимо приложить к нему некоторую силу, которая создается либо путем формирования разности давления между его противолежащими поверхностями (крыло), либо путем отбрасывания в сторону, противоположную направлению движения, определенной массы газа или жидкости (воздушный или гребной винт, реактивный двигатель).
За счет разности давления на верхней и нижней поверхностях крыла при его поступательном движении возникает подъемная сила этого крыла, но локальное изменение давления на поверхности объекта может быть создано и за счет вращательного движения его элементов.
Так, например, патентом RU 2533011 от 03.09.2013 г. (далее - патент 1) для создания подъемной силы предложено применение вращательного движения плоского диска, техническим результатом которого является «получение подъемной силы, основанное на передаче рабочей аэродинамической среде - воздуху механической энергии вращающегося диска с образованием зоны пониженного давления и отделения этой зоны от зоны спокойного воздуха с атмосферным давлением посредством неподвижного изолятора».
Однако патент 1 основан на ошибочном предположении, что вращение плоского диска приводит во вращение прилегающую к нему массу воздуха. На самом деле, вращение плоского диска не может повлечь за собой заметного изменения давления на его поверхности, так как силы трения частиц воздуха о поверхность диска слишком малы для того, чтобы сообщить воздушной массе скорость, сопоставимую с окружной скоростью жесткого диска и изменить давление на его поверхности. В этом легко убедиться, подвешивая ватный шарик на нитке вблизи поверхности вращающегося диска.
В патенте СА 2199278 от 14.03.1996 г. (далее - патент 2) для создания подъемной силы предложено устройство, названное «круговым крылом в сборе», которое состоит из дискового крыла 26 (рис. 1), над которым помещено воздушное колесо 20 (терминология патента 2), на ступице 60 которого установлены изогнутые лопасти 62 (рис. 1). Вокруг воздушного колеса установлено кольцевое крыло 28. При вращении воздушного колеса воздух из его межлопастных каналов выходит с высокой скоростью в радиальных направлениях над верхней поверхностью 32 дискового крыла 26 и обдувает кольцевое крыло 28, создавая его подъемную силу. Высокая скорость воздуха над верхней поверхностью дискового крыла 32 формирует не нем зону низкого давления, что при давлении воздуха близким к атмосферному под нижней поверхностью 54 дискового крыла 26, создает его подъемную силу.
Недостатком этого устройства является кольцевое крыло 28, подъемная сила которого должна, по крайней мере, компенсировать вес этого крыла, а также его опорной конструкции. Но эта подъемная сила весьма невелика, если вообще имеется, в силу уменьшения скорости потока около кольцевого крыла по мере удаления от воздушного колеса. Присутствие кольцевого крыла снижает и надежность конструкции устройства. Кроме того, воздушная струя G (рис. 1) от воздушного колеса засасывает (или эжектирует) воздух с его нижней поверхности 54, снижая на ней статическое давление и уменьшая подъемную силу устройства.
С целью увеличения подъемной силы и упрощения конструкции предлагаемое многолопастное устройство для создания подъемной силы, в отличие от «кругового крыла в сборе» по патенту 2, не содержит кольцевого крыла и снабжено цилиндрической обечайкой для снижения эффекта эжекции. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание подъемной силы.
Рассматривается многолопастное устройство для создания подъемной силы, состоящее из кругового экрана с плоской верхней поверхностью, в центре которого на приводном валу установлена крыльчатка со ступицей и лопастями, вращение которой производится приводным устройством с двигателем, расположенными под экраном с цилиндрической обечайкой, установленной со стороны его нижней поверхности.
Цилиндрическая обечайка устанавливается для предотвращения эжекции массы воздуха с нижней поверхности экрана. Увеличение диаметра экрана по сравнению с диаметром крыльчатки способствует снижению потребной мощности ее привода при получении заданной подъемной силы. Для предотвращения эжекции массы воздуха с нижней поверхности экрана на ней устанавливается
1
1
2
2
1
2
1
1
2
цилиндрическая обечайка. При вращении крыльчатки воздух или жидкость под действием центробежных сил вытекает из каналов, образованных соседними лопастями (межлопастными каналами), на поверхность экрана со скоростью ν и, в силу уравнения Бернулли (gν/2+р=const), уровень давления p под крыльчаткой и в ее окрестности снижается по сравнению с уровнем давления в окружающем пространстве. На нижней поверхности экрана скорость движения среды близка к нулю ν ≈ 0 и давление р сохраняется близким к давлению в окружающем пространстве и больше, чем p. Благодаря разнице давлений на верхней и нижней поверхностях экрана возникает подъемная сила равная F=∫∫(p-p)ds, направленная вверх от плоскости с давлением р.
1
o
1
2
o
o
o
о
1
o
o
-1
Работоспособность описанной конструкции подтверждена экспериментом, в котором на дно хозяйственного тазика радиусом R=14 см и весом 490 г было установлена крыльчатка радиусом R=9 см и при угловой скорости ее вращения ω=25 с этот тазик парил в воздухе. Измеренная скорость истечения воздуха из каналов в радиальном направлении составила ν=7м/c, а в окружном направлении ν=14м/c и суммарная скорость истечения составила ν=15,8 м/с. Определяя скорость воздуха вне крыльчатки на расстояние R от оси вращения из уравнения сохранения массы ν=ν×(R/R) и используя уравнение Бернулли для определения давления на дне тазика несложно оценить подъемную силу, действующую на тазик. На части поверхности под воздушным колесом подъемная сила равна Р=0,19 кг, вне крыльчатки P=0,34 кг. и суммарная подъемная сила Р=0,53 кг. Такая же подъемная сила создается колесом с радиусом R=11,6 см. на экране такого же диаметра, но, очевидно, мощность привода для этого колеса должна быть больше чем для колеса с R=9 см. Формула для оценки величины подъемной силы имеет вид:
Этот пример показывает целесообразность увеличения диаметра диска по сравнению с диаметром расположенной на нем крыльчатки с целью снижения потребной мощности привода для получения необходимой подъемной силы. Увеличение диаметра диска по сравнению с диаметром крыльчатки также уменьшает влияние потока на его верхней поверхности на уровень давления на его нижней поверхности.
На рис. 2 представлена конструктивная схема устройства, на которой изображены экран 1, крыльчатка 2, установленная на приводном валу 3 приводного устройства 4. Крыльчатка 2 содержит ступицу 5 с изогнутыми лопастями 6, выступающими из ступицы 5. Приводной вал 3 проходит от ступицы 5 через центральную ось 7 к приводному устройству 4 с двигателем 8. Диаметр крыльчатки 2 равен или меньше диаметра экрана 1. Цилиндрическая обечайка 9 установлена на нижней поверхности экрана для предотвращения влияния воздушного потока с верхней поверхности экрана на уровень давления на его нижней поверхности. Изогнутые лопасти 6 вращаются вместе со ступицей 5 на приводном валу 3.
Источники информации:
1. Ансеров Д.О., Ансеров А.Д. Патент RU 2533011 «Способ создания подъемной силы изолированным диском».
2. Gabor I. Vass Patent СА2199278А1 «CIRCULAR WING AIRCRAFT».