РЕАКТИВНЫЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ

Полезная модель относится к транспортным средствам, в частности к судовым движителям, а также может быть применена в устройствах для создания направленного потока жидкости или газа в разных областях техники.
Известно центробежное тяговое устройство, содержащее ротор и статор с одним и более каналами для прохождения по ним рабочего тела. Каналы ротора имеют входные концы, наименее удаленные от оси вращения, и выходные концы, наиболее удаленные от оси вращения. Входные концы каналов статора совмещены в осевом направлении с выходными концами каналов ротора. Выходные концы каналов статора имеют направления, параллельные оси вращения ротора. (Патент РФ №2455525, 2011 г., МПК В64С 29/04).
Основной недостаток известного устройства - сложность конструкции и, соответственно, снижение надежности при эксплуатации. Монтаж такого устройства представляет значительные трудности. Входные каналы ротора около оси вращения ограничивают их количество и рост диаметров каналов. При наличии около 30 узких каналов передача движения рабочего тела от ротора к статору крайне неэффективна и будет иметь большие потери кинетической энергии рабочего тела.
Известна движительная водометная установка плавательного средства, которая преобразует центробежную силу в силу тяги. Установка содержит полый вращающийся диск с водяными каналами, двигатель и привод оси вращения диска в виде полой трубы, бак для воды с водозаборником. Внутри полого диска водяные каналы расположены радиально оси вращения с поворотом каналов параллельно оси вращения. Предполагается, что при вращении диска центробежная сила будет перемещать по водяным каналам жидкость от центра на периферию вращения, где поворот движения воды на 90° должен создать силу тяги (Патент РФ №2381952, 2010 г. МПК В64С 29/00).
К недостаткам известной конструкции движителя можно отнести сложность конструкции с большими гидравлическими потерями из-за того, что вращающийся рабочий диск расположен над корпусом судна и находится на значительной высоте от водозабора, что потребует значительных затрат на подъем воды. Дополнительные потери будут и при повороте выброса струи воды под углом 90°.
Наиболее близким техническим решением является водометный движитель, принятый за прототип, содержащий гребной вал, ступицу, лопасти, спрямляющий аппарат, промежуточный вал, который соединен с гребным валом посредством зубчатой передачи, причем лопасти закреплены перпендикулярно к промежуточному валу между двумя дисками, один из которых установлен перпендикулярно промежуточному валу с зазором по отношению к ступице. При этом выходной патрубок выполнен в виде улитки. (Патент РФ №2047540 С1, 1995 г. МПК В63Н 11/08, В63Н 11/103).
К основному недостатку водометных движителей, в т.ч. и прототипа, с улиткообразным корпусом водовода, напоминающем центробежные насосы, относится сложность конструкции с требованием обеспечения минимального зазора между корпусом и импеллером до 0,5 мм, а в прототипе в дополнение установлена зубчатая передача с передачей вращения под 90°.
При создании полезной модели решалась задача упрощения конструкции движителя.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном движителе, содержащем полую камеру, имеющую вход и выход для рабочего тела, согласно полезной модели полая камера снабжена крыльчаткой, размещенной в ней с минимальным зазором относительно ее боковых стенок, лопасти которой выполнены в виде плоских пластин, а ее вал выполнен с возможностью соосного соединения с валом двигателя вращения, вход для рабочего тела выполнен в виде отверстия в центральной области полой камеры, а выход выполнен в боковой стенке полой камеры через направляющий патрубок, прикрепленный по нормали к оси вращения крыльчатки.
Поставленная задача решена за счет того, что крыльчатка размещена в полой камере с минимальным зазором относительно ее боковых стенок. Также поставленная задача решена за счет того, что со стороны выхода рабочего тела к секторальному окну полой камеры прикреплен направляющий патрубок по нормали перпендикулярно оси вращения крыльчатки.
Снабжение полой камеры крыльчаткой с плоскими лопастями, расположенной с минимальным зазором относительно боковых стенок камеры позволяет обеспечить эффективное и синхронное с вращением крыльчатки закручивание рабочего тела. Раскручиваемое рабочее тело с ростом числа оборотов крыльчатки создает за счет центробежной силы избыточное давление на боковые стенки камеры.
С ростом давления на боковые стенки камеры синхронно в центральной области камеры образуется зона пониженного давления. Выполнение входа для рабочего тела в виде отверстия в центральной области полой камеры позволяет без дополнительных энергетических затрат автоматически и самопроизвольно за счет всасывания обеспечить доступ рабочего тела в центральную область камеры с постоянно пониженным давлением.
Выполнение выхода для рабочего тела в виде секторального окна в боковой стенке полой камеры позволяет под действием избыточного давления обеспечить вытекание рабочего тела в окружающую среду в радиальном направлении, создавая реактивную струю в направлении, перпендикулярном оси вращения крыльчатки.
Закрепление патрубка к секторальному окну позволяет сформировать направленную струю и реактивное ускорение рабочего тела, создавая тем самым тягу.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан вид движителя сбоку в плоскости вращения крыльчатки, на фиг. 2 - вид сверху.
Реактивный центробежный движитель представляет собой замкнутую полую камеру 1, например, в виде цилиндра, со свободно вращающейся внутри него крыльчаткой 2, ось вращения которой находится под углом 90° к направлению движения выбрасываемого потока рабочего тела в окружающее пространство. Крыльчатка имеет систему плоских пластин без какого-либо профилирования, которое характерно для лопастей гребного винта или импеллера. Вал 3 крыльчатки 2 свободно вращается в подшипниковом узле 4 без возможности перемещения вдоль оси вращения. Подшипниковый узел 4 неподвижно закреплен на крышке 5 полой камеры 1. Крышка 5 соединена с полой камерой 1 болтовыми соединениями 6 через прокладку 7, обеспечивающую герметичность соединения при высоких давлениях рабочего тела. Вал 3 крыльчатки 2 через узел крепления 8 выполнен с возможностью соосного соединения с валом 9 двигателя вращения 10. Для подвода рабочего тела в центральной части камеры 1 выполнено отверстие 11, а для выброса рабочего тела в боковой стенке выполнено секторальное окно 12. Для формирования направленного потока рабочего тела к камере 1 прикреплен радиально направляющий патрубок 13, например, в виде трапеции или сопла Лаваля, в котором секторальное окно 12 является входом в направляющий патрубок 13.
Реактивный центробежный движитель на примере воды в качестве рабочего тела работает следующим образом:
Движитель погружают в воду, при этом жидкость свободно заполняет внутреннее пространство камеры 1 через отверстие 11 и секторальное окно 12. При включении двигателя вращения 10 крыльчатка 2 начинает вращаться, ее лопасти захватывают в своем сегменте замкнутый объем заборной воды и приводят его во вращательное движение. Зазоры между лопастями крыльчатки 2 стенками камеры 1, составляющие 1-3 мм, обеспечивают эффективное и синхронное с вращением крыльчатки закручивание воды. Раскручиваемая вода с ростом числа оборотов крыльчатки 2 за счет центробежной силы создает избыточное давление на боковые стенки камеры 1. С ростом давления на боковые стенки камеры 1 синхронно образуется зона пониженного давления в районе оси вращения крыльчатки в центральной области камеры. Именно в эту зону через отверстие 11 самопроизвольно всасывается вода. Под действием избыточного давления в зоне секторального окна 12 вода выдавливается в радиальном направлении через свободный выход патрубка 13 в окружающую среду. При этом, вода приобретает реактивное ускорение. Форма направляющего патрубка 13 в виде сужающейся трапеции или сопла Лаваля позволяет добиваться максимальной скорости потока воды на его выходе. Выталкиваемая вода приобретает импульс. По закону сохранения импульсов движитель, и соответственно плавательное средство, получат импульс, направленный в противоположную сторону от реактивного выброса струи воды. Сила тяги реактивного движения равна произведению секундной массы выброса воды на скорость ее истечения (см. Большая российская энциклопедия, 2004 г., статьи «Реактивное движение», «Реактивная сила»).
Результатом описываемого процесса будет движение плавательного средства за счет ускоряющегося реактивного движения струи воды, подобное движению ракеты, выбрасывающей реактивную струю сгораемого топлива. Применение воды в качестве рабочего тела позволяет получать непрерывное ускорение за счет присущих воде свойств: жидкого состояния и небольшого коэффициента сжатия (на несколько порядков меньше коэффициента сжатия воздуха).
Упрощение конструкции реактивного центробежного движителя связано с прямым приводом вращения от штатного вертикального вала приводного двигателя. Движитель состоит практически из двух основных узлов: корпуса 1 с крышкой 5 и патрубком 13, и крыльчатки 2 с плоскими пластинами и подшипниковым узлом 4. В этом случае отпадает необходимость в редукторном устройстве с гребным винтом, а также не нужна помпа подачи воды на охлаждение двигателя внутреннего сгорания. Эту функцию успешно выполняет простой патрубок, прикрепленный к корпусу 1 в зоне повышенного давления воды на периферии вращения крыльчатки 2.
К упрощению конструкции относится и простой способ вращения воды в корпусе 1 крыльчаткой 2 с плоскими не профилированными лопатками. Такая простая в изготовлении крыльчатка работает во всем диапазоне скоростей вращения. Упрощение конструкции также связано и с отсутствием промежуточных трубопроводов движения воды - вода после автоматического всасывания раскручивается и сразу же перемещается центробежной силой на периферию к стенкам камеры с последующим выталкивается в окружающую среду через прямоточный патрубок 13.
Конструкция реактивного центробежного движителя не требует прецизионного зазора между крыльчаткой и корпусом, как это имеет место в водометах между импеллером и корпусом в размере 0,5 мм. Допускаемые зазоры в несколько миллиметров мало влияют на раскручивание воды и упрощают конструкцию.
Заявленная полезная модель была испытана на моторной лодке с бензиновым двигателем EVINRUDE мощностью 5 л. с. Разработана конструкция реактивного центробежного движителя для промышленного производства и узла его крепления на приводной двигатель. На фиг. 3 представлено фото движителя из нержавеющей стали. На фиг. 4 показано фото крепления промышленного варианта движителя с передачей крутящего момента от бензомотора на крыльчатку напрямую через штатный вал двигателя.
Реактивный центробежный движитель испытан также и на электромоторе MINN КОТА мощностью 380 Вт.
В качестве рабочего тела в предлагаемом реактивном центробежном движителе может быть применен воздух или газ. Работа движителя в этом варианте будет более эффективна при вращении крыльчатки со скоростью более 100 об./сек, т.к. с увеличением скорости вращения сжимаемость и плотность воздуха или газа будет играть положительную роль. Примером промышленного применения движителя в качестве альтернативы могут служить аэролодки с классическим воздушным винтом.
Целесообразно применение реактивного центробежного движителя также в устройствах и технологиях, где возникает необходимость создания эффективного газовоздушного потока.