КОЛЬЦЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ С ОДНОСТОРОННЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПОТОКАМИ СРЕД

Область техники, к которой относится полезная модель
Кольцевой элемент с односторонней поверхностью может быть использован в устройствах, осуществляющих механическое взаимодействие с потоками жидких, газообразных (в том числе гетерогенных) и сыпучих сред в качестве лопасти, лопатки, направляющего аппарата и т.п.
Уровень техники
Известны кольцевые элементы с односторонней поверхностью Мебиуса [1], полученные путем скрепления предварительно перекрученных на 180° кромок плоской заготовки в форме полосы с прямолинейными боковыми сторонами.
Известны также кольцевые элементы с односторонней поверхностью Мебиуса, полученные деформацией и последующим скреплением плоских заготовок в форме разрезных колец [2]. При этом перед деформацией две плоских заготовки в форме разрезных колец соединяются последовательно для образования плоской спирали, после чего ее свободные концы перекручиваются на 180° и соединяются в одностороннюю поверхность.
Недостатком указанного элемента является то, что он создан для игровых приложений, а из-за сложной пространственной формы не может быть использован в устройствах, осуществляющих механическое взаимодействие с потоками различных сред.
Известны также элементы с односторонней поверхностью Мебиуса, полученные деформацией и последущим скреплением концов заготовки в форме связанных разрезных колец, развернутых на 180° в сечении с минимальной (нулевой) кривизной средней линии, которая эквидистантна внешним контурам заготовки [3, 4]. Заготовка представляет собой S-образную фигуру с центральной симметрией. При деформации (изгибе) концов заготовки относительно плоскости чертежа, например вверх, до вертикальной оси проходящей через центр симметрии, происходит естественный поворот радиальных кромок заготовки на 90°, т.к. они переходят из горизонтальной плоскости чертежа в вертикальную плоскость оси. Таким образом для образования односторонней поверхности не требуется перекручивания на 180° собственно кромок, как в случае полосовой заготовки.
Указанный элемент используется в качестве рабочего органа смесителя, т.к. при вращении вокруг оси, проходящей через центр симметрии, он способен обеспечить высокий турбулизирующий эффект. Для увеличения площади взаимодействия рабочего органа со средой протяженность заготовки по средней линии выбрана максимально возможной из условия отсутствия самопересечения так, что угол радиальной кромки свободных концов заготовки составляет с межцентровой линией угол порядка 45-60°.
Для повышения жесткости рабочего органа он имеет две точки крепления по оси привода - в центре симметрии и по краям радиальных кромок.
Недостатками указанного элемента является повышенная турбулизация потока, что в устройствах, осуществляющих механическое взаимодействие с потоками жидких и газообразных сред приводит к увеличению потерь энергии или к ухудшению качества разделения сред в устройствах сеперации, а также недостаточная жесткость элемента в условиях его использования как кольцевого с одной точкой крепления.
Раскрытие полезной модели
С целью улучшения гидро- и аэродинамических характеристик кольцевого элемента с односторонней поверхностью и повышения его жесткости протяженность заготовки вдоль ее средней линии может быть уменьшена до значений, соответствующих технологическим возможностям ее перекручивания. Применительно к кольцам Мебиуса из полосовой заготовки известно [1], что минимально возможная длина полосы не может быть меньше 1.732 (верхняя оценка) ее ширины. Для криволинейных (кольцевых) заготовок таких оценок не существует. На пределе технологической возможности перекручивания заготовки жесткость кольца будет максимальна. Однако на практике можно получить достаточно жесткие конструкции колец и без значительного сокращения протяженности заготовки.
Так если считать максимальной протяженностью заготовки длину окружности средней линии двух разрезных колец как в [2], но развернутых как в [3], то сокращение ее в 2 раза позволяет получить достаточно жесткое кольцо с односторонней поверхностью. Указанному варианту соответствует S-образная заготовка в виде двух полуколец, лежащих по разные стороны от межцентровой линии. Такое исполнение заготовки эквивалентно одиночному разрезанному кольцу, поскольку средней точке соединения кромок после перекручивания концов на 180° будет соответствовать точка центра симметрии S-образной заготовки. Но это обстоятельство означает, что для заготовок может быть применена гораздо более простая, чем S-образная - форма круглого кольца. Уменьшать протяженность заготовки по средней линии можно путем вырезания сектора с углом от 0° до 90° и более. Увеличение угла выреза более 90° с одновременным уменьшением ширины кольца все более приближает его к обычному кольцу Мебиуса из полосовой заготовки, поэтому не целесообразно.
Благодаря кольцевой форме заготовки область прилегающая к стыку кромок может быть использована для крепления к несущим конструкциям, а диаметрально противоположная ей, с максимальной радиальной жесткостью, использоваться для непосредственного взаимодействия поверхности с движущейся средой.
Описание чертежей
s
На Фиг.1 представлена форма заготовки для известного [3] кольцевого элемента с односторонней поверхностью Мебиуса, которая представляет собой S-образную фигуру с центром симметрии в точке C.
На Фиг.2 показана эквивалентность форм заготовок - S-образной (а) и кольцевой (б).
На Фиг.3 представлена форма заготовки и форма заявляемого кольцевого элемента с односторонней поверхностью.
На фиг.4 представлена в аксонометрической проекции форма заготовки и форма заявляемого кольцевого элемента с односторонней поверхностью для случая когда перекручивание концов заготовки на 180° происходит «в среднем» для всех участков, прилегающих к кромкам.
На Фиг.5 представлены дополнительные варианты исполнения заготовок в форме эллиптических колец.
Осуществление полезной модели
Предлагаемый кольцевой элемент с односторонней поверхностью может быть изготовлен из гибкого материала. Экспериментально доказано, что кольцевой элемент с односторонней поверхностью осуществим для значений протяженности по средней линии контура, выраженной через значение ширины кольца, равной разности внешнего и внутреннего радиусов, больших чем 2.618 и это справедливо для любых значений радиуса кривизны средней линии контура, выраженного через значение ширины кольца, т.е. от 0.5 и более.
Для формирования кольцевого элемента с односторонней поверхностью используют кольцевую заготовку в соответствии с Фиг.3а, или Фиг.2б, как частный случай заготовки с углом выреза сектора равным 0°.
Концы заготовок с кромками h-g и e-f перекручивают относительно точек 1 и 2 соответственно в противоположные стороны на 90° каждую, после чего кромки совмещают так, чтобы точка h совпала с точкой е, а точка f - с точкой g. На Фиг.3б показан результат такого совмещения - точки 1 и 2 совпадают и образован стык eh-fg, который должен быть превращен в соединение любым известным способом.
При заданном значений радиуса кривизны средней линии контура, который не может быть меньше половины ширины кольца, его протяженность максимальна при минимальном угле выреза сектора равном 0°. Поэтому ограничение на максимальную протяженность по средней линии контура, выраженной через значение ширины кольца автоматически накладывает ограничение и на минимальную кривизну заготовки и се габаритный размер. Уменьшение кривизны заготовки все более приближает его к обычному кольцу Мебиуса из полосовой заготовки, поэтому целесообразно ограничить сверху максимальную протяженность по средней линии контура значением превосходящим минимальное значение, например в 10 раз, т.е. 26.18. Но если задаться целью изготовить из такой заготовки кольцевой элемент с минимальной протяженностью, то из начальной кольцевой заготовки следует использовать только 1/10 часть, что в градусной мере означает 360/10=36°. Таким образом максимальное значение угла выреза сектора определится как 360°-36°=324°.
Для заготовок с малым радиусом кривизны средней линии, для которых невозможно осуществить перкручивание радиальных кромок с сохранением их формы, в частности прямолинейной, эти кромки предварительно деформируются (изгибаются) до полученния осесимметричной фигуры. Эта фигура может быть замкнутой, например О-образной, или разомкнутой, например U-или V-образной, важно только чтобы ось симметрии проходила через середину кромок, т.е. точки 1 и 2. При этом изгиб кромок осуществляется в противоположные стороны относительно плоскости заготовки, как показано на Фиг.4а, «в среднем» на 90° т.к. участки поверхности прилегающие к кромкам с самым большим радиусом поворачиваются на 180°, а участки поверхности с самым малым радиусом остаются не развернутыми. Только участки поверхности относящиеся к точкам 1 и 2 поворачиваются точно на 90°, а остальные только вносят свой вклад (от 0 до 180) в формирование «среднего» угла перекручивания сечения кромки.
Внутреннее пространство кольца имеет форму близкую к круговой, но может быть сделано и эллиптическим. На Фиг.5 показаны варианты исполнения заготовки в виде эллиптических колец. Биссектриса угла вырезаемого сектора может быть ориентирована как вдоль большой (5а), так и малой (5б) осей эллипса, а также и в любых промежуточных положениях. Если в качестве несущей конструкции используется цилиндрическая труба, то за счет изменения формы кольца возможно изменить угол установки активной части профиля кольца по отношению к оси трубы (потока) и т.к. косым сечением цилиндра является эллипс, то кольцевой элемент может быть закреплен на цилиндрической трубе практически без зазора.
У заявленного кольцевого элемента односторонняя поверхность является линейчатой, следовательно в любой ее точке может быть размещен крепежный элемент прямолинейной формы, который будет прилегать к ней без зазора. Если в качестве несущей конструкции используется цилиндрическая труба, внешняя или внутренняя по отношению к кольцевому элементу, то его крепление может быть выполнено по образующей трубы, что обеспечит повышенную жесткость соединения.
Кольцевой элемент (или группа элементов) с односторонней поверхностью, закрепленный в корпусе на неподвижной цилиндрической трубе (внешней или внутренней) способен изменять траекторию движения частиц в потоке жидких, газообразных или сыпучих сред и, следовательно, может участвовать в процессах сепарации и перемешивания.
Кольцевой элемент (или группа элементов) с односторонней поверхностью, закрепленный на подвижной (в частности вращающейся) цилиндрической трубе (внешней или внутренней) способен осуществлять динамическое взаимодействие с потоком жидких, газообразных или сыпучих сред, т.е. участвовать в преобразовании энергии потока в механическую энергию (вращения), или в преобразовании механической энергии (вращения) в энергию потока.
Источники информации:
1. www.ru.wikipedia.org>Лента Мебиуса
2. Пат. ЕР 1112766 А1 04.07.2001
3. Пат. RU №2042414 27.08.1995
4. Пат. US №5411330, 02.05.1995