НАГНЕТАТЕЛЬ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ С АКТИВНЫМ ПОКРЫТИЕМ ЛОПАТОЧНОГО КОЛЕСА И КОРПУСА

Область техники
Полезная модель относится к крупногабаритным осевым нагнетателям транспортного средства на воздушной подушке (ТСВП) с ометаемой площадью лопаточного колеса и внутренней поверхностью корпуса в несколько квадратных метров.
Уровень техники
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели можно принять осевой нагнетатель для нагнетания воздуха в камеру сгорания роторных двигателей (патент РФ на изобретение №2109173, МПК F04D 19/00, опубл. 20.04.1998). Рабочее колесо нагнетателя установлено в отверстии закрытого корпуса. Рабочее колесо нагнетателя содержит профилированные лопасти, выполненные по винтовой поверхности.
Недостатком такого решения можно признать отсутствие в нагнетателе активных электретных покрытий, предназначенных для снижения аэродинамических потерь воздушного потока на трение и волновое сопротивление, а эти потери в свою очередь уменьшают КПД нагнетателя, что нежелательно для крупногабаритного нагнетателя ТСВП.
Раскрытие полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности работы нагнетателя ТСВП, в первую очередь его КПД. Для эксплуатации в условиях северных широт в Арктике ТСВП наиважнейшей характеристикой является запас хода, так как от запаса хода зависит оперативность доставки жизненно необходимых грузов (продовольствия, топлива), проведение спасательных операций и т.п. Запас хода ТСВП напрямую зависит от КПД энергоустановки и системы создания воздушной подушки.
Технический результат заключается в снижении аэродинамических потерь воздушного потока на трение и волновое сопротивление в нагнетателе ТСВП и соответственно в повышении КПД нагнетателя ТСВП.
Технический результат достигается тем, что крупногабаритный нагнетатель ТСВП состоит из корпуса с отверстием для лопаточного колеса и самого колеса и содержит активные электретные покрытия лопаточного колеса и корпуса, а именно внутренние поверхности профиля лопаток лопаточного колеса и корпуса, где установлено колесо, снабжены активными диэлектрическими покрытиями с наведенным поверхностным электрическим зарядом на этих покрытиях. Причем внутренняя от входящего воздушного потока, вогнутая поверхность профиля лопаток лопаточного колеса снабжена активным покрытием с чередующимися параллельными выступами высотой 0,5…1% от ширины лопатки лопаточного колеса, а на внутреннюю поверхность отверстия корпуса, в котором установлено колесо, нанесено гладкое активное покрытие. При этом активные электретные покрытия преимущественно изготовлены из фторопластовой пленки марки Ф-4 толщиной 0,05…0,1 мм.
Перечень фигур
На фигурах 1, 2, 3 и 4 представлена конструкция осевого нагнетателя ТСВП.
Осуществление полезной модели
В настоящее время в различных областях техники находят применение детали и устройства, имеющие активное покрытие из качественных и однородных по структуре диэлектрических материалов с наведенным (различными физическими воздействиями) поверхностным эффективным электрическим зарядом высокой плотности. В научно-технической литературе эти диэлектрики объединены термином - электреты. Электрет длительное время сохраняет поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к заряжанию этого диэлектрика и создает в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле.
Применение активных электретных покрытий для лопаточного колеса и корпуса ТСВП призвано повысить эффективность осевого нагнетателя за счет избирательного сортирующего эффекта при взаимодействии электрического поля электрета с движущимся воздушным потоком, обтекающим детали при работе нагнетателя. При этом с активным покрытием в первую очередь взаимодействуют (притягиваются к нему) атомы благородных газов Ar, He, Ne, Xe и Kr (аргона, гелия, неона, ксенона и криптона), содержание которых в атмосферном воздухе в нормальных условиях составляет 9,341 литра в одном кубическом метре. Эти благородные газы вследствие их физических свойств обладают высокой абсолютной электроотрицательностью, величина которой, например, для гелия составляет 12,3 эВ, для наиболее активного окислителя - фтора - аналогичная характеристика составляет только 10,41 эВ, для атмосферных азота и кислорода электроотрицательность составляет соответственно 7,3 эВ и 7,54 эВ.
На отрицательно заряженном активном покрытии нагнетателя образуются зоны (пятна) из положительно заряженных атомов благородных газов, к которым, в свою очередь, притягиваются отрицательные ионы и свободные электроны атмосферного воздуха, происходит кратковременное образование двойного электрического слоя. При насыщении структуры двойного электрического слоя вследствие неустойчивости в газовой фазе происходит его импульсное разрушение, сопровождающееся высокоскоростным сбросом составляющих его частиц и, соответственно, ускоряющих поток обтекающего воздуха. Чередование указанных процессов при работе осевого нагнетателя ТСВП позволяет снизить аэродинамические потери на трение. Также атмосферные благородные газы при физических воздействиях обладают свойством образовывать из атомов протяженные кластерные цепочки, при этом постоянство физического воздействия и увеличение длины кластера способствуют его устойчивости. Кластерные цепочки, образованные активными элементами осевого нагнетателя, могут выполнять функции волновода для передачи энергии частиц в потоке воздуха. Проявление вышеуказанных физических эффектов подтверждено рядом экспериментов в лабораторных условиях. Введение в конструкцию осевого нагнетателя ТСВП активных покрытий позволяет комплексно использовать указанные физические эффекты и повысить КПД нагнетателя за счет снижения аэродинамических потерь на трение и волновое сопротивление.
Основу конструкции нагнетателя составляет корпус 1 с цилиндрическим отверстием, в котором на опоре установлено нагнетающее лопаточное колесо 2, вращаемое приводом 3. Корпус 1 нагнетателя закреплен к воздушной камере 4 ТСВП.
При этом на внутреннюю (противоположную от входящего воздушного потока) (на фиг. 1 воздушный поток должен поступать в нагнетатель слева) вогнутую сторону профиля лопаток лопаточного колеса 2 нанесено активное покрытие 5 с чередующимися параллельными выступами высотой 0,5…1% от ширины лопатки лопаточного колеса для создания зон с сосредоточенной повышенной напряженностью электрического поля, а на внутреннюю поверхность корпуса 1 (на поверхность цилиндрического отверстия) нагнетателя, в котором установлено колесо, нанесено гладкое активное покрытие 6 для импульсного образования и разрушения двойных электрических слоев. Такое конструктивное различие объясняется тем, что для лопаточного колеса применено покрытие с выступами для достижения эффекта образования кластерных цепочек по траекториям соосных концентрических окружностей, образуемых при вращательном движении выступов на покрытии, при этом лопаточное колесо контактирует практически со всем объемом воздуха, проходящим через рабочее диаметральное сечение колеса, а активное покрытие на внутренней поверхности корпуса нагнетателя контактирует и взаимодействует со значительно меньшими объемами нагнетаемого воздуха - в слоях, близко расположенных к гладкому покрытию и находящихся в зоне воздействия электрического поля покрытия. Гладкое активное покрытие способствует импульсному образованию и разрушению пятен из двойных электрических слоев на покрытии, что ускоряет пристеночные слои воздуха.
В отечественной практике преимущественно применяют электреты из пленок фторопласта-4 (марка Ф-4) толщиной 0,05…0,1 мм, у которых поверхностная плотность заряда может сохраняться несколько лет. Для нанесения однородных активных покрытий на детали нагнетателя ТСВП можно использовать, например, плазменное напыление с последующим его заряжанием в коронном разряде. При изготовлении нагнетателя ТСВП на его активные покрытия наводится начальный поверхностный электрический заряд, например, коронным электрическим разрядом. При работе нагнетателя в составе ТСВП поверхностный заряд активных покрытий пополняется свободными отрицательными ионами и электронами из атмосферного воздуха при его активной циркуляции у рабочих поверхностей нагнетателя. При работе нагнетателя на кромках выступов активного покрытия профиля лопаточного колеса образуются зоны сосредоточенной повышенной напряженности электрического поля с протяженными круговыми концентрическими кластерными цепочками из благородных газов атмосферного воздуха. Активная циркуляция, создаваемая лопаточным колесом, приводит к захвату в концентрические кластерные цепочки свободных электрических зарядов из обтекающего воздуха, что ведет к локальному повышению плотности отбрасываемого воздуха и повышению давления за лопаточным колесом. В зоне гладкого активного покрытия происходит сброс разрушающихся двойных электрических слоев в обтекающий поток, который приводит к снижению трения нагнетаемого воздушного потока о корпус нагнетателя.
Эксперименты с активными покрытиями в лабораторных условиях проводились с тремя типоразмерами осевых нагнетательных колес в цилиндрических отверстиях корпусов и с приводными электродвигателями мощностей 10 Вт, 40 Вт и 100 Вт. Активные покрытия изготавливались из фторопластовой пленки марки Ф-4 толщиной 0,05 мм по типу выдвижных стаканов (за срез цилиндрического корпуса). Эти активные покрытия имели слабый поверхностный электрический заряд (технологический), величина которого составляла, в среднем, несколько процентов от максимально возможного. В экспериментах последовательно увеличивалась площадь задействования активного покрытия (выдвижением стаканов) и регистрировались параметры тока и напряжения, потребляемых приводными электродвигателями. При этом регистрировалось сравнительное уменьшение потребляемого тока приводного электродвигателя до 15…20%.
На основе результатов лабораторных испытаний очевидно, что соответствующее увеличение рабочей площади активного покрытия крупногабаритного нагнетателя ТСВП приведет к снижению потребляемой мощности приводного двигателя нагнетателя, что соответственно повысит КПД нагнетателя в составе ТСВП.
Применительно к нагнетателю ТСВП, ометаемая площадь лопаточного колеса и внутренняя поверхность корпуса составляет до нескольких квадратных метров. Активные электретные покрытия в конструкции крупногабаритного нагнетателя ТСВП снизят аэродинамические потери до 15…20%, что соответственно повысит КПД, топливную экономичность и увеличит запас хода ТСВП, что особенно необходимо для арктических, морских или пустынных районов.