ГЕНЕРИРУЮЩЕЕ ТЯГУ УСТРОЙСТВО ПО ТИПУ ЭФФЕКТА МАГНУСА И ВРАЩАЮЩЕЕСЯ УСТРОЙСТВО, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ ЕГО
TRACTION-GENERATING DEVICE BY MAGNUS EFFECT TYPE AND ROTARY DEVICE USING IT

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к генерирующему тягу устройству, использующему силу Магнуса, которую генерирует вращение по существу цилиндрического крыла в текучей среде, использующему энергию ветра вращающемуся устройству, гидравлическому вращающемуся устройству, использующему энергию приливов вращающемуся устройству, которые вращаются за счет использования генерирующего тягу устройства, и к гидро или пневмооборудованию, такому как ветрогенератор, гидрогенератор и генератор приливной энергетической установки, вращающемуся за счет использования генерирующего тягу устройства.
Предшествующий Уровень Техники
[0002] Традиционно известны устройства, использующие силу Магнуса, которую генерирует цилиндрическое крыло, вращающееся в текучей среде.
Список Цитирования
Патентный документ
[0003] Патентный документ 1: JP 2010-143530 A
Патентный документ 2: JP 2008-106619 A
Патентный документ 3: JP 2007-85327 A
Патентный документ 4: JP 2008-82185 A
Патентный документ 5: JP 2008-175070 A
Патентный документ 6: JP 2010-121518 A
Патентный документ 7: JP WO2013/014848
Раскрытие изобретения
Проблемы, которые должны быть решены с помощью изобретения
[0004] Автомобильное аэродинамическое устройство управления, которое описано в патентном документе 1, направлено на получение прижимного усилия, подлежащего приложению к транспортному средству за счет использования силы Магнуса, генерируемой за счет вращения цилиндрического крыла.
[0005] Композитное крыло по типу эффекта Магнуса, которое описано в патентном документе 2, направлено на получение крутящего момента ветротурбины с горизонтальной осью или подъемной силы самолета за счет использования силы Магнуса.
[0006] Ветротурбина по типу эффекта Магнуса, которая описана в патентном документе 3 или патентном документе 4, направлена на получение крутящего момента ветротурбины с горизонтальной осью за счет использования силы Магнуса.
[0007] Когда сила Магнуса используется в транспортном средстве или в самолете, как в патентном документе 1 или патентном документе 2, воздушным потоком, воздействующим на цилиндрическое крыло, является относительная скорость ветра вследствие движения транспортного средства или самолета, и предполагается, что направление воздушного потока определяется направлением движения транспортного средства или самолета и является в основном фиксированным.
[0008] Кроме того, когда сила Магнуса используется в ветряке с горизонтальной осью, как в патентном документе 3 или патентном документе 4, принимающую ветер поверхность делают обращенной в направлении ветра под управлением по каналу рыскания для ветряка, так что предполагается, что направление воздушного потока, воздействующего на цилиндрическое крыло, является в основном фиксированным.
[0009] Однако, когда сила Магнуса используется, напр., в ветряке с вертикальной осью, направление воздушного потока, воздействующего на цилиндрическое крыло, постоянно изменяется за счет направления ветра крутящего момента или вращательного движения самого ветряка, так что допущение, как в патентном документе 1 - патентном документе 4, не может быть сделано.
[0010] Кроме того, в случае ветряка с вертикальной осью, направление силы Магнуса, генерируемой, когда цилиндрическое крыло вращается в одном направлении, является одинаковым как на наветренной стороне, так и на подветренной стороне ветряка, так что направления крутящих моментов ветряка с вертикальной осью с обеих сторон противоположны друг другу и, таким образом, гасят друг друга. Таким образом, конфигурация ветряка с горизонтальной осью как таковая не может быть применима к ветряку с вертикальной осью.
[0011] Патентный документ 5 описывает способ, в котором подавляется сила Магнуса противоположного направления, генерируемая на подветренной стороне ветряка за счет экранирования цилиндрического крыла на подветренной стороне с помощью устройства с ветрозащитным экраном, предоставленного в центре ветряка.
[0012] Однако, устройство с ветрозащитным экраном, предоставленное в центре ветряка, не может защитить цилиндрическое крыло по всей площади подветренной стороны ветряка, так что трудно эффективно подавлять силу Магнуса противоположного направления, генерируемую на подветренной стороне ветряка.
[0013] Патентный документ 6 описывает способ, в котором генерируются крутящие моменты ветряка одинакового направления на наветренной стороне и подветренной стороне ветряка, делая разным направление вращения цилиндрического крыла между наветренной стороной и подветренной стороной ветряка для изменения направления силы Магнуса.
[0014] Однако, поскольку необходимо индивидуально и часто изменять направление цилиндрических крыльев согласно направлению ветра, требуется сложное регулирование. Кроме того, в окружающих условиях, когда часто меняется направление ветра, изменение направления вращения цилиндрического крыла отстает от изменения направления ветра, что может уменьшать эффективность выработки электроэнергии.
[0015] Патентный документ 7 описывает способ, в котором генерируются крутящие моменты ветряка одинакового направления на наветренной стороне и подветренной стороне, создавая пары из двух цилиндрических крыльев и вращая их в противоположных направлениях.
[0016] Этот способ обеспечивает возможность всегда генерировать крутящие моменты ветряка одинакового направления, даже когда направление ветра часто меняется; однако, для использования пары цилиндрических крыльев требуется большая стоимость.
[0017] Настоящее изобретение было сделана с учетом приведенных выше проблем, и его цель состоит в предоставлении генерирующего тягу устройства с простой конструкцией, способного эффективно регулировать величину силы Магнуса, генерируемой цилиндрическим крылом в зависимости от направления потока, воздействующего на цилиндрическое крыло.
Средство Решения Проблем
[0018] Для достижения цели выше предоставлен первый аспект, который представляет собой генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса, содержащее:
первый элемент, имеющий первую ось вращения и вращающийся вокруг первой оси вращения; и
второй элемент, расположенный со стороны задней поверхности относительно направления движения первого элемента, при этом
первый и второй элементы могут вращаться вокруг второй оси вращения, а
в плоскости, перпендикулярной первой оси вращения генерирующего тягу устройства по типу эффекта Магнуса, (M-L)/L < 2 является удовлетворительным, где L представляет собой расстояние между первой осью вращения и частью поверхности первого элемента, которая находится дальше всего от первой оси вращения, а M представляет собой расстояние между первой осью вращения и частью поверхности второго элемента, которая находится ближе всего к первой оси вращения.
[0019] Вторым аспектом является генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно первому изобретению, при этом второй элемент имеет по существу пластинчатую форму, проходящую в направлении, противоположном направлению движения первого элемента.
[0020] Третьим аспектом является генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно первому или второму изобретениям, при этом второй элемент имеет по существу обтекаемую форму, проходящую в направлении, противоположном направлению движения первого элемента.
[0021] Четвертым аспектом является генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно любому одному из первого - третьего изобретений, при этом второй элемент имеет на своей поверхности необязательную неровность.
[0022] Пятым аспектом является генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно любому одному из первого - четвертого изобретений, при этом первый элемент имеет на своей поверхности необязательную неровность.
[0023] Шестым аспектом является использующее энергию ветра вращающееся устройство, гидравлическое вращающееся устройство или использующее энергию приливов вращающееся устройство, использующие генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно любому одному из первого - пятого изобретений.
Преимущества Изобретения
[0024] Когда первый элемент вращается в текучей среде, поток ускоряется за счет вращения первого элемента в области (сторона ускорения потока), где направление потока и направление вращения первого элемента совпадают друг с другом, в результате чего уменьшается давление на поверхности первого элемента, в то время как поток замедляется за счет вращения первого элемента в области (сторона замедления потока), где направление потока и направление вращения первого элемента противоположны друг другу, в результате чего повышается давление на поверхности первого элемента.
[0025] Разница между давлением на стороне ускорения потока и давлением на стороне замедления потока создает силу тяги (силу Магнуса), таким образом, чтобы сила Магнуса действовала в направлении, перпендикулярном направлению потока.
[0026] Когда пластинчатый второй элемент предоставлен на стороне ускорения потока в положении, где расстояние между вторым элементом и поверхностью первого элемента не превышает диаметра первого элемента, ускорение потока на стороне ускорения потока блокируется вторым элементом, что затрудняет понижение давления на поверхности первого элемента со стороны ускорения потока. Из этого следует, что уменьшается разница давлений между поверхностью первого элемента со стороны ускорения потока и его поверхностью со стороны замедления потока, в результате чего уменьшается величина силы Магнуса, генерируемой в первом элементе.
[0027] Аналогично, когда второй элемент предоставлен на стороне замедления потока в положении, где расстояние между вторым элементом и поверхностью первого элемента меньше чем диаметр первого элемента, поток на стороне замедления потока блокируется вторым элементом для замедления. Однако, стороной замедления потока первоначально является сторона, на которой поток замедляется таким образом, что не возникает большой разницы в степени замедления потока в зависимости от наличия/отсутствия второго элемента. Таким образом, даже когда второй элемент предоставлен на стороне замедления потока первого элемента, давление на поверхности первого элемента эквивалентно давлению, когда второй элемент отсутствует. Из этого следует, что разница давлений между поверхностью первого элемента со стороны ускорения потока и его поверхностью со стороны замедления потока существенно не меняется, в результате чего величина силы Магнуса, генерируемой в первом элементе, эквивалентна величине, когда второй элемент отсутствует на стороне замедления потока первого элемента.
[0028] В первом изобретении, когда второй элемент предоставлен со стороны задней поверхности относительно направления движения первого элемента, второй элемент располагается на стороне ускорения потока или стороне замедления потока первого элемента в зависимости от направления потока относительно направления движения первого элемента.
[0029] Здесь допускается, что первое изобретение применимо к ветряку с вертикальной осью и что направление вращения ветряка, т.е. направление движения первого элемента устанавливают в направлении по часовой стрелке ветряка.
[0030] Для установки направления силы Магнуса, генерируемой в первом элементе на наветренной стороне ветряка в направлении, в котором ветряк в целом вращается по часовой стрелке, первый элемент вращают по часовой стрелке.
[0031] В это время второй элемент, предоставленный со стороны задней поверхности относительно направления движения первого элемента, находится в зоне стороны замедления потока первого элемента.
[0032] Таким образом, величина силы Магнуса в направлении по часовой стрелке ветряка, которая генерируется в первом элементе на наветренной стороне ветряка, эквивалентна величине, когда второй элемент отсутствует.
[0033] С другой стороны, на подветренной стороне ветряка, направление силы Магнуса, генерируемой в первом элементе, вращающемся по часовой стрелке, устанавливают в направлении, в котором ветряк в целом вращается против часовой стрелки.
[0034] В это время второй элемент, предоставленный со стороны задней поверхности относительно направления движения первого элемента, находится в зоне стороны ускорения потока первого элемента.
[0035] Таким образом, величина силы Магнуса в направлении против часовой стрелки ветряка, которая генерируется в первом элементе на подветренной стороне ветряка, уменьшается по сравнению с величиной, когда второй элемент отсутствует.
[0036] Вследствие этого, крутящий момент на наветренной стороне ветряка и крутящий момент на подветренной стороне не гасят друг друга, в результате чего ветряк вращается по часовой стрелке.
[0037] Кроме того, эффект замедления потока, когда второй элемент предоставлен на стороне ускорения потока первого элемента, может усиливаться, делая расстояние между вторым элементом и поверхностью первого элемента равным или меньшим, чем диаметр первого элемента, так что можно более эффективно регулировать величину силы Магнуса, генерируемой в первом элементе.
[0038] Как описано выше, генерирующее тягу устройство, способное эффективно регулировать величину силы Магнуса, генерируемой в первом элементе, согласно направлению потока, воздействующего на первый элемент, может быть предоставлено за счет второго элемента с простой конструкцией.
[0039] Во втором изобретении за счет образования второго элемента с по существу пластинчатой формой, проходящего в противоположном направлении относительно направления движения первого элемента, можно более эффективно регулировать силу Магнуса, генерируемую в первом элементе, согласно направлению потока, воздействующего на первый элемент.
[0040] Здесь предполагается, что второе изобретение применимо к ветряку с вертикальной осью и что направление вращения ветряка, т.е. направление движения первого элемента установлено в направлении по часовой стрелке ветряка.
[0041] В это время азимутальный угол генерирующего тягу устройства по типу эффекта Магнуса образован по часовой стрелке, причем направление входа ветра составляет 0 градусов. В этом случае, второй элемент, предоставленный со стороны задней поверхности относительно направления движения первого элемента, расположен в положении в центре на стороне замедления потока первого элемента, когда азимутальный угол составляет 0 градусов, в положении 45 градусов от центра стороны замедления потока первого элемента в направлении наветренной стороны, когда азимутальный угол составляет 45 градусов, и в положении 90 градусов от центра стороны замедления потока первого элемента в направлении наветренной стороны, когда азимутальный угол составляет 90 градусов, т.е. на границе между стороной замедления потока и стороной ускорения потока.
[0042] В это время, когда ширина второго элемента в направлении, перпендикулярном относительно направления движения первого элемента является большой, концевой участок второго элемента блокирует даже область первого элемента со стороны ускорения потока по мере того, как азимутальный угол становится больше в диапазоне от 0 градусов до 90 градусов. Таким образом, поток на стороне ускорения потока блокируется, в результате чего сила Магнуса, генерируемая в первом элементе, нежелательно уменьшается.
[0043] За счет образования второго элемента с по существу пластинчатой формой, имеющей маленькую ширину в направлении, перпендикулярном относительно направления движения первого элемента, концевой участок второго элемента едва блокирует область стороны ускорения потока, даже когда азимутальный угол становится больше в диапазоне от 0 градусов до 90 градусов. Таким образом, можно предотвратить уменьшение силы Магнуса, генерируемой в первом элементе.
[0044] В третьем изобретении концевой участок второго элемента едва блокирует область стороны ускорения потока даже, когда азимутальный угол становится больше в диапазоне от 0 градусов до 90 градусов, предотвращая за счет этого уменьшение силы Магнуса, генерируемой в первом элементе, как во втором изобретении. Кроме того, в третьем изобретении за счет образования второго элемента с по существу обтекаемой формой, сопротивление второго элемента текучей среде может быть уменьшено.
[0045] В четвертом изобретении блок регулирования потока имеет необязательную неровность, такую как желобки, ямки, выступы или вихревые генераторы, образованные на поверхности второго элемента. Эта может уменьшать сопротивление текучей среде второго элемента и шум, такой как шум ветра.
[0046] В пятом изобретении на поверхности первого элемента образована необязательная неровность, такая как выступы или разрезы. Это может увеличить силу Магнуса, генерируемую в цилиндрическом крыле 1.
[0047] В шестом изобретении, когда генерирующие тягу устройства по типу эффекта Магнуса согласно первому - пятому изобретениям каждое применяют для ветряного вращающегося устройства, гидравлического вращающегося устройства и использующего энергию приливов вращающегося устройства, каждое из которых имеет вертикальную ось или горизонтальную ось, проходящую в перпендикулярном направлении относительно потока, сила Магнуса, прикладываемая в направлении обратного вращения вращающегося устройства, которая возникает на нижней стороне, когда первый элемент вращается в одном направлении, может подавляться вторым элементом с простой конструкцией, усиливая за счет этого эффективность вращения вращающегося устройства.
Краткое Описание Чертежей
[0048] ФИГУРЫ 1A и 1B каждая представляет собой вид сверху, иллюстрирующий генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГУРЫ 2A-2C каждая представляет собой вид сверху, иллюстрирующий модификацию узла блокировки потока генерирующего тягу устройства по типу эффекта Магнуса согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГУРЫ 3A и 3B каждая представляет собой вид сверху, иллюстрирующий генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГУРЫ 4A и 4B каждая представляет собой вид сверху, иллюстрирующий разницу между генерирующими тягу устройствами по типу эффекта Магнуса согласно первому и второму вариантам осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 5 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий модификацию узла блокировки потока генерирующего тягу устройства по типу эффекта Магнуса согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГУРЫ 6A-6D каждая представляет собой вид спереди, иллюстрирующий модификацию узла блокировки потока генерирующего тягу устройства по типу эффекта Магнуса согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 7 представляет собой вид сверху, иллюстрирующий использующее энергию ветра вращающееся устройство согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 8 представляет собой вид спереди, иллюстрирующий использующее энергию ветра вращающееся устройство согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 9 представляет собой экспериментальные данные, показывающие взаимосвязь между расстоянием между цилиндрическим крылом и узлом блокировки потока и результатом подавления силы Магнуса.
ФИГ. 10 представляет собой изображение, иллюстрирующее расстояние между первой осью вращения и частью поверхности цилиндрического крыла, которая находится дальше всего от первой оси вращения, и расстояние между первой осью вращения и частью поверхности узла блокировки потока, которая находится ближе всего к первой оси вращения.
ФИГУРЫ 11A-11F каждая представляет собой вид сверху, иллюстрирующий цилиндрическое крыло согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
ФИГ. 12 представляет собой вид спереди, иллюстрирующий цилиндрическое крыло согласно пятому вариантуосуществления настоящего изобретения.
Наилучший вариант осуществления изобретения
[0049] Ниже будут описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения. Варианты осуществления являются всего лишь иллюстративными, и настоящее изобретение ими не ограничено.
[0050] (Первый вариант осуществления)
Будет описано генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0051] Фигуры 1A и 1B каждая представляет собой вид сверху, иллюстрирующий генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0052] В относительном расположении, проиллюстрированном на фиг. 1A, направление 5 потока установлено в направлении вниз на поверхности бумаги, а направление 3 движения цилиндрического крыла 1 установлено в направлении вправо на поверхности бумаги. Пластинчатый узел 4 блокировки потока предоставлен со стороны задней поверхности относительно направления 3 движения цилиндрического крыла 1, т.е. с левой стороны цилиндрического крыла 1 на поверхности бумаги в положении, где расстояние между узлом 4 блокировки потока и поверхностью цилиндрического крыла 1 не превышает диаметра цилиндрического крыла 1.
[0053] Цилиндрическое крыло 1 является примером первого элемента настоящего изобретения, а узел 4 блокировки потока является примером второго элемента настоящего изобретения.
[0054] «Сторона задней поверхности относительно направления 3 движения цилиндрического крыла 1» относится к области стороны, противоположной направлению 3 движения двух областей цилиндрического крыла 1 разделенных плоскостью, содержащей первую ось C1 вращения цилиндрического крыла 1 (первый элемент), и перпендикулярных направлению 3 движения. В примере фиг. 1A часть с левой стороны штрих-пунктирной линии соответствует «стороне задней поверхности относительно направления 3 движения цилиндрического крыла 1».
[0055] В это время, когда направление 2 вращения вокруг первой оси C1 вращения цилиндрического крыла 1 установлено в направлении по часовой стрелке, часть с левой стороны относительно штрих-пунктирной линии (центральной линии цилиндрического крыла 1) служит в качестве стороны замедления потока, поскольку направление 5 потока и направление 2 вращения цилиндрического крыла 1 противоположны друг другу, в то время как правая часть штрих-пунктирной линии служит в качестве стороны ускорения потока, поскольку направление 5 потока и направление 2 вращения цилиндрического крыла 1 одинаковые. Как описано дальше, цилиндрическое крыло 1 и узел 4 блокировки потока могут вращаться вокруг второй оси 12 вращения.
[0056] Цилиндрическое крыло 1 имеет высокое поверхностное давление на стороне замедления потока, в то же время оно имеет низкое поверхностное давление на стороне ускорения потока, в результате чего сила Магнуса 6 генерируется в направлении вправо, перпендикулярно направлению 5 потока.
[0057] То есть, направление 3 движения цилиндрического крыла 1 и направление силы Магнуса 6 совпадают друг с другом.
[0058] Узел 4 блокировки потока расположен на стороне замедления потока цилиндрического крыла 1, так что поток на стороне замедления потока блокируется узлом 4 блокировки потока. Однако, стороной замедления потока первоначально является сторона, на которой поток замедляется, так что поверхностное давление на стороне замедления потока цилиндрического крыла 1 эквивалентно давлению, когда узел 4 блокировки потока отсутствует. Из этого следует, что разница поверхностных давлений между стороной замедления потока и стороной ускорения потока также эквивалентна разнице, когда узел 4 блокировки потока отсутствует, в результате чего величина силы Магнуса 6, генерируемой в цилиндрическом крыле 1, эквивалентна величине, когда узел 4 блокировки потока отсутствует.
[0059] В относительном расположении, проиллюстрированном на фиг. 1B, направление 5 потока установлено в направлении вниз на поверхности бумаги, а направление 3 движения цилиндрического крыла 1 установлено в направлении влево на поверхности бумаги. Пластинчатый узел 4 блокировки потока предоставлен со стороны задней поверхности относительно направления 3 движения цилиндрического крыла 1, т.е. с правой стороны цилиндрического крыла 1 на поверхности бумаги (часть с правой стороны относительно штрих-пунктирной линии).
[0060] В это время предполагается, что направлением 2 вращения цилиндрического крыла 1 является направление по часовой стрелке. В этом случае, часть с левой стороны относительно штрих-пунктирной линии (центральной линии цилиндрического крыла 1) является стороной замедления потока, поскольку направление 5 потока и направление 2 вращения цилиндрического крыла 1 противоположны друг другу, в то же время правая часть относительно штрих-пунктирной линии является стороной ускорения потока, поскольку направление 5 потока и направление 2 вращения цилиндрического крыла 1 одинаковые.
[0061] Цилиндрическое крыло 1 имеет высокое поверхностное давление на стороне замедления потока, в то же время оно имеет низкое поверхностное давление на стороне ускорения потока, в результате чего сила Магнуса 6 генерируется в направлении вправо, перпендикулярном направлению 5 потока.
[0062] То есть, направление 3 движения цилиндрического крыла 1 и направление силы Магнуса 6 противоположны друг другу.
[0063] Узел 4 блокировки потока расположен на стороне ускорения потока цилиндрического крыла, так что подлежащий замедлению поток на стороне ускорения потока блокируется узлом 4 блокировки потока, затрудняя снижение поверхностного давления на стороне ускорения потока цилиндрического крыла 1. Из этого следует, что разница поверхностных давлений между стороной ускорения потока и стороной замедления потока уменьшается, в результате чего уменьшается величина силы Магнуса 6, генерируемой в цилиндрическом крыле 1.
[0064] Хотя узел 4 блокировки потока в примере фигур 1A и 1B имеет прямолинейную форму, он может иметь по существу форму дуги окружности, как проиллюстрировано на фиг. 2A, или по существу V-образную форму, как проиллюстрировано на фиг. 2B.
[0065] Когда узел 4 блокировки потока образован с по существу формой дуги окружности или по существу V-образной формой, в зависимости от направления потока помеха узла 4 блокировки потока также может использоваться в качестве вспомогательной тяги для цилиндрического крыла 1.
[0066] Узел 4 блокировки потока не обязательно может иметь равномерную толщину и может быть образован с по существу обтекаемой формой, как проиллюстрировано на фиг. 2C.
[0067] Как описано выше, узлом 4 блокировки потока может быть любой материальный объект, имеющий опциональную форму при условии, что он может оказывать определенный тип воздействия на поток на поверхности цилиндрического крыла 1, и ясно, что такой материальный объект оказывает определенный тип воздействия на поток на поверхности цилиндрического крыла 1.
[0068] (Второй вариант осуществления)
Далее будет описано генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
[0069] Генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно второму варианту осуществления в базовой конфигурации такое же, как в первом варианте осуществления, но отличается от него тем, что узел блокировки потока имеет по существу пластинчатую форму, проходящую в направлении, противоположном направлению движения цилиндрического крыла 1.
[0070] Каждая из фигур 3A и 3B представляет собой вид сверху, иллюстрирующий генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
[0071] С относительным положением, проиллюстрированным на фиг. 3A, направление 5 потока установлено в направлении вниз на поверхности бумаги, а направление 3 движения цилиндрического крыла 1 установлено в направлении вправо на поверхности бумаги. Пластинчатый узел 4 блокировки потока, проходящий в направлении, противоположном направлению 3 движения цилиндрического крыла, то есть в направлении влево на поверхности бумаги, предоставлен со стороны задней поверхности относительно направления 3 движения цилиндрического крыла 1, т.е. с левой стороны цилиндрического крыла 1 на поверхности бумаги (часть с левой стороны относительно штрих-пунктирной линии) в положении, где расстояние между узлом 4 блокировки потока и поверхностью цилиндрического крыла 1 не превышает диаметра цилиндрического крыла 1.
[0072] Цилиндрическое крыло 1 является примером первого элемента настоящего изобретения, а узел 4 блокировки потока является примером второго элемента настоящего изобретения.
[0073] В это время, когда направление 2 вращения цилиндрического крыла 1 установлено в направлении по часовой стрелке, сила Магнуса 6 генерируется в направлении вправо, перпендикулярно направлению 5 потока, как в примере фиг. 1A в первом варианте осуществления.
[0074] То есть, направление 3 движения цилиндрического крыла 1 и направление силы Магнуса 6 совпадают друг с другом.
[0075] Узел 4 блокировки потока расположен на стороне замедления потока цилиндрического крыла 1, так что, как в примере фиг. 1A в первом варианте осуществления, величина силы Магнуса 6, генерируемой в цилиндрическом крыле 1, эквивалентна величине, когда узел 4 блокировки потока отсутствует.
[0076] В относительном расположении, проиллюстрированном на фиг. 3B, направление 5 потока установлено в направлении вниз на поверхности бумаги, а направление 3 движения цилиндрического крыла установлено в направлении влево на поверхности бумаги. Пластинчатый узел 4 блокировки потока, проходящий в направлении, противоположном направлению 3 движения цилиндрического крыла 1, то есть, в направлении вправо на поверхности бумаги предоставлен со стороны задней поверхности относительно направления 3 движения цилиндрического крыла 1, т.е. с правой стороны цилиндрического крыла 1 на поверхности бумаги (часть с правой стороны относительно штрих-пунктирной линии).
[0077] В это время, когда направление 2 вращения цилиндрического крыла установлено в направлении по часовой стрелке, сила Магнуса 6 генерируется в направлении вправо, перпендикулярно направлению 5 потока, как в примере фиг. 1B в первом варианте осуществления.
[0078] То есть, направление 3 движения цилиндрического крыла и направление силы Магнуса 6 противоположны друг другу.
[0079] Узел 4 блокировки потока расположен на стороне ускорения потока цилиндрического крыла 1, так что, как в примере фиг. 1B в первом варианте осуществления, величина силы Магнуса 6, генерируемой в цилиндрическом крыле 1, уменьшается.
[0080] Результаты второго варианта осуществления отличаются от результатов первого варианта осуществления, когда азимутальный угол 13 между направлением 5 потока и генерирующим тягу устройством по типу эффекта Магнуса настоящего изобретения составляет не 0 градусов.
[0081] Как проиллюстрировано на фиг. 4A, когда ширина узла 4 блокировки потока в направлении, перпендикулярном относительно направления 3 движения цилиндрического крыла 1, большая, концевой участок узла 4 блокировки потока блокирует даже часть с правой стороны штрих-пунктирной линии параллельно направлению 5 потока, т.е. область цилиндрического крыла 1 со стороны ускорения потока, в зависимости от азимутального угла 13, так что поток на стороне ускорения потока блокируется, что приводит к уменьшению величины силы Магнуса 6, генерируемой в цилиндрическом крыле 1.
[0082] Как проиллюстрировано на фиг. 4B, когда узел 4 блокировки потока образован с по существу пластинчатой формой, имеющей ширину в направлении, перпендикулярном относительно направления 3 движения цилиндрического крыла, наподобие узла 4 блокировки потока второго варианта осуществления, концевой участок узла 4 блокировки потока едва блокирует область со стороны ускорения потока, независимо от азимутального угла 13, обеспечивая возможность предотвращения уменьшения величины силы Магнуса 6, генерируемой в цилиндрическом крыле 1.
[0083] Узел 4 блокировки потока, проходящий в направлении, противоположном направлению 3 движения цилиндрического крыла 1, не обязательно может быть образован с пластинчатой формой и может быть образован с по существу обтекаемой формой, как проиллюстрировано на фиг. 5. Когда узел 4 блокировки потока образован с по существу обтекаемой формой, сопротивление узла 4 блокировки потока текучей среде может быть уменьшено.
[0084] На поверхности узла 4 блокировки потока может быть образован блок регулирования потока, имеющий неровность, такую как желобки 7, как проиллюстрировано на фиг. 6A, ямки или выступы 8, как проиллюстрировано на фиг. 6B, или вихревые генераторы 9, как проиллюстрировано на фиг. 6C.
[0085] С помощью такого блока регулирования потока может быть уменьшено сопротивление текучей среде узла 4 блокировки потока и шум, такой как шум ветра.
[0086] Кроме того, блок 10 регулирования потока, имеющий неровность, такую как выступы или разрезы, как проиллюстрировано на фиг. 6D, может быть образован на концевом участке узла 4 блокировки потока.
[0087] С помощью такого блока регулирования потока может быть уменьшен шум, такой как шум ветра.
[0088] Блок регулирования потока, проиллюстрированный на фигурах 6A-6D, образован в узле 4 блокировки потока; однако, в качестве альтернативы, неровность может быть образована на поверхности цилиндрического крыла 1, и в этом случае могут быть получены такие же результаты, как результаты, когда неровность образована в узле 4 блокировки потока. Желобок 7, ямка или выступающая деталь 8, вихревой генератор 9 и блок 10 регулирования потока каждое является примером неровности второго элемента настоящего изобретения.
[0089] (Третий Вариант Осуществления)
Далее будет описано использующее энергию ветра вращающееся устройство согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения, использующее описанное выше генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса.
[0090] ФИГ. 7 представляет собой вид сверху вращающегося устройства, использующего энергию ветра согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
[0091] На второй оси 12 вращения вращающегося устройства, использующего энергию ветра, установлено множество опорных элементов 11a, 11b и 11c, а на опорных элементах 11a, 11b и 11c установлены цилиндрические крылья 1a, 1b и 1c и узел 4а, 4b и 4c блокировки потока, соответственно. Узлы 4a, 4b и 4c блокировки потока каждый предоставлен в положении, где расстояние между каждым из их и поверхностью соответствующего цилиндрического крыла не превышает диаметра цилиндрического крыла.
[0092] Цилиндрические крылья 1a, 1b и 1c каждое является примером первого элемента настоящего изобретения, а узлы 4a, 4b и 4c блокировки потока каждое является примером второго элемента настоящего изобретения.
[0093] Цилиндрические крылья 1a, 1b и 1c и узлы 4a, 4b и 4c блокировки потока могут вращаться вокруг второй оси 12 вращения через опорные элементы 11a, 11b и 11c.
[0094] Число опорных элементов, цилиндрических крыльев и узлов блокировки потока, установленных на вторую ось 12 вращения, в этом примере составляет три для каждого, но это всего лишь пример, и число элементов выше может решаться опционально.
[0095] Как проиллюстрировано на фиг. 8, цилиндрические крылья 1a, 1b и 1c и узлы 4a, 4b и 4c блокировки потока на своих соответствующих обоих концах могут поддерживаться парой опорных элементов 11d и 11e.
[0096] Когда цилиндрические крылья 1a, 1b и 1c вращаются в воздушном потоке, в соответствующих цилиндрических крыльях 1a, 1b и 1c генерируются силы 6a, 6b и 6c Магнуса, вращая за счет этого использующее энергию ветра вращающееся устройство вокруг второй оси 12 вращения.
[0097] Цилиндрические крылья 1a, 1b и 1c могут вращаться двигателями, предоставленными на корневых частях соответствующих цилиндрических крыльев 1a, 1b и 1c, или единственным двигателем, предоставленным около второй оси 12 вращения. В последнем случае крутящий момент может передаваться на цилиндрические крылья через цепи или ремни.
[0098] В третьем варианте осуществления направление 5 потока установлено в направлении вниз на поверхности бумаги, направления 2a, 2b и 2c вращения соответствующих цилиндрических крыльев каждое установлено, как направление по часовой стрелке так, чтобы вращать использующее энергию ветра вращающееся устройство по часовой стрелке вокруг второй оси 12 вращения, а узлы 4a, 4b и 4c блокировки потока предоставлены со стороны задней поверхности относительно направления 3a, 3b и 3c движения соответствующих цилиндрических крыльев.
[0099] В это время направлением силы 6a Магнуса, генерируемой в цилиндрическом крыле 1a, расположенном на наветренной стороне вращающегося устройства, использующего энергию ветра, является направление вправо на поверхности бумаги, т.е. направление, в котором использующее энергию ветра вращающееся устройство вращается в направлении по часовой стрелке.
[0100] Узел 4а блокировки потока расположен в пределах диапазона стороны замедления потока цилиндрического крыла 1a, так что величина силы 6a Магнуса, генерируемой в цилиндрическом крыле 1a эквивалентна величине, когда узел 4а блокировки потока отсутствует.
[0101] С другой стороны, направлением силы 6b и 6c Магнуса, генерируемой в цилиндрических крыльях 1b и 1c, расположенных на подветренной стороне вращающегося устройства, использующего энергию ветра, также является каждое направление вправо на поверхности бумаги, т.е. направление, в котором использующее энергию ветра вращающееся устройство вращается в направлении против часовой стрелки.
[0102] Узлы 4b и 4c блокировки потока, предоставленные со стороны задней поверхности относительно направления 3b и 3c движения цилиндрических крыльев, расположены в пределах диапазона стороны ускорения потока соответствующих цилиндрических крыльев 1b и 1c.
[0103] Таким образом, величина силы 6b и 6c Магнуса, генерируемой в цилиндрических крыльях 1b и 1c, уменьшается по сравнению с величиной, когда узлы блокировки потока 4b и 4c отсутствуют.
[0104] То есть, крутящий момент по часовой стрелке, генерируемый на наветренной стороне вращающегося устройства, использующего энергию ветра, и крутящий момент против часовой стрелки, генерируемый на подветренной стороне не гасят друг друга, в результате чего использующее энергию ветра вращающееся устройство вращается по часовой стрелке.
[0105] Как описано выше, за счет применения генерирующего тягу устройства по типу эффекта Магнуса согласно настоящему изобретению в использующем энергию ветра вращающемся устройстве, имеющем вертикальную ось или горизонтальную ось перпендикулярно направлению ветра, сила Магнуса, прикладываемая в направлении обратного вращения использующего энергию ветра вращающегося устройства, которая генерируется на нижней стороне вращающегося устройства, использующего энергию ветра, когда цилиндрическое крыло вращается в одном направлении, подавляется узлом блокировки потока с простой конструкцией, за счет чего может усиливаться эффективность вращения вращающегося устройства, использующего энергию ветра.
[0106] Когда генератор устанавливают на вторую ось 12 вращения третьего варианта осуществления, может быть получен ветрогенератор.
[0107] Крутящий момент второй оси 12 вращения может использоваться в качестве средства приведения в действие вращающейся машины, такой как насос.
[0108] Направление вращения вращающегося устройства, использующего энергию ветра, может быть установлено, как направление против часовой стрелки. В этом случае, направление вращения каждого цилиндрического крыла устанавливают в направлении против часовой стрелки, а узел блокировки потока предоставлен со стороны задней поверхности относительно направления движения цилиндрического крыла.
[0109] Хотя использующее энергию ветра вращающееся устройство приведено для примера в третьем варианте осуществления, оно может быть применимо к гидравлическому вращающемуся устройству и вращающемуся устройству, использующему энергию приливов.
[0110] (Экспериментальные данные)
ФИГ. 9 представляет собой экспериментальные данные, полученные в результате экспериментов, проведенных с использованием цилиндрического крыла с ребрами (диаметр: 100 мм) и пластинчатым узлом блокировки потока (ширина: 100 мм, толщина: 5 мм), проходящим в противоположном направлении относительно направления движения цилиндрического крыла в условиях скорости ветра: 5 м/с. ФИГ. 10 представляет собой вид, иллюстрирующий расстояние L между первой осью C1 вращения и частью поверхности цилиндрического крыла 1, которая находится дальше всего от первой оси C1 вращения, и расстояние M между первой осью C1 вращения и частью поверхности узла 4 блокировки потока, которая находится ближе всего к первой оси C1 вращения.
[0111] На графике фиг. 9 горизонтальная ось показывает значение, полученное делением расстояния (M-L (M: расстояние между центром цилиндрического крыла и узлом блокировки потока, L: радиус цилиндрического крыла)) между цилиндрическим крылом и узлом блокировки потока на L. Вертикальная ось показывает значение измерения силы Магнуса. Термин «сторона замедления воздушного потока» относится к силе Магнуса, генерируемой, когда узел блокировки потока предоставлен только на стороне замедления воздушного потока (соответствует случаю фиг. 1A), а термин «сторона ускорения воздушного потока» относится к силе Магнуса, генерируемой, когда узел блокировки потока предоставлен только на стороне ускорения воздушного потока (соответствует случаю фиг. 1B). Термин «разница» относится к разнице между силой Магнуса, генерируемой в случае «стороны замедления воздушного потока» и силой Магнуса, генерируемой в случае «стороны ускорения воздушного потока».
[0112] График фиг. 9 иллюстрирует следующие пункты.
[0113] То есть, когда узел блокировки потока предоставлен на стороне замедления воздушного потока, независимо от значения (M-L)/L генерируется по существу постоянная положительная сила Магнуса.
[0114] С другой стороны, когда узел блокировки потока предоставлен на стороне ускорения воздушного потока, отрицательная сила Магнуса уменьшается, когда уменьшается значение (M-L)/L.
[0115] Таким образом, чем меньше значение (M-L)/L, тем больше становится разница между силой Магнуса, генерируемой, когда узел блокировки потока предоставлен на стороне замедления воздушного потока, и силой Магнуса, генерируемой, когда узел блокировки потока предоставлен на стороне ускорения воздушного потока.
[0116] Когда значение (M-L)/L превышает 2, вышеупомянутая разница становится по существу 0. Это означает, что сила Магнуса, генерируемая, когда узел блокировки потока предоставлен на стороне замедления воздушного потока, и сила Магнуса, генерируемая, когда узел блокировки потока предоставлен на стороне ускорения воздушного потока, в целом гасят друг друга, так что результаты настоящего изобретения не могут быть получены.
[0117] Таким образом, значение (M-L)/L желательно меньше чем 2, более желательно меньше чем 1, и еще более желательно меньше чем 0,4.
[0118] (Четвертый Вариант Осуществления)
Далее будет описано генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0119] Фигуры 11A-11F каждая представляет собой вид сверху, иллюстрирующий цилиндрическое крыло 1 согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0120] Генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно четвертому варианту осуществления отличается показателями формы поперечного сечения цилиндрического крыла 1. цилиндрическое крыло 1 согласно четвертому варианту осуществления имеет на своей поверхности необязательную неровность.
[0121] В цилиндрическом крыле 1, проиллюстрированном на фиг. 11A, три ребра 13, каждое из которых имеет треугольное поперечное сечение, образованы на его поверхности так, чтобы быть параллельными оси C1 вращения. Хотя число ребер 13 отдельно не ограничено, предпочтительно оно составляет приблизительно от трех до восьми. Высота каждого ребра 13 предпочтительно равна или меньше чем 10% диаметра цилиндрического крыла 1. Расстояние между первой осью C1 вращения и самым высоким положением каждого ребра 13 определяется как расстояние L между первой осью C1 вращения и частью поверхности цилиндрического крыла 1, которая находится дальше всего от первой оси C1 вращения, как проиллюстрировано на фиг. 11A.
[0122] В цилиндрическом крыле 1, проиллюстрированном на фиг. 11B, два ребра 13, каждое из которых имеет треугольное поперечное сечение, и два ребра 14, каждое из которых имеет четырехугольное поперечное сечение, образованы на его поверхности так, чтобы располагаться параллельно оси C1 вращения. Хотя число ребер 13 и число ребер 14 отдельно не ограничено, общее число ребер 13 и 14 предпочтительно приблизительно от трех до восьми. Высота каждого ребра 13 и высота каждого ребра 14 предпочтительно равна или меньше чем 10% диаметра цилиндрического крыла 1. Расстояние между первой осью C1 вращения и самым высоким положением ребра 13 или ребра 14 определяется как расстояние L между первой осью C1 вращения и частью поверхности цилиндрического крыла 1, которая находится дальше всего от первой оси C1 вращения, как проиллюстрировано на фиг. 11B.
[0123] В цилиндрическом крыле 1, проиллюстрированном на фиг. 11C, шесть разрезов 15, каждый из которых имеет поперечное сечение в виде дуги окружности, образованы на его поверхности так, чтобы располагаться параллельно оси C1 вращения. Хотя число разрезов 15 специально не ограничено, предпочтительно оно составляет приблизительно от трех до восьми. Глубина каждого разреза 15 предпочтительно равна или меньше чем 10% диаметра цилиндрического крыла 1. Расстояние между первой осью C1 вращения и поверхностью цилиндрического крыла 1 определяется как расстояние L между первой осью C1 вращения и частью поверхности цилиндрического крыла 1, которая находится дальше всего от первой оси C1 вращения, как проиллюстрировано на фиг. 11C.
[0124] В цилиндрическом крыле 1, проиллюстрированном на фиг. 11D, четыре разреза 15, каждый из которых имеет поперечное сечение в виде дуги окружности, и четыре разреза 16, каждый из которых имеет четырехугольное поперечное сечение, образованы на его поверхности так, чтобы располагаться параллельно оси C1 вращения. Хотя число разрезов 15 и число разрезов 16 специально не ограничено, общее число разрезов 15 и 16 предпочтительно приблизительно от трех до восьми. Глубина каждого разреза 15 и глубина каждого разреза 16 предпочтительно равна или меньше чем 10% диаметра цилиндрического крыла 1. Расстояние между первой осью C1 вращения и поверхностью цилиндрического крыла 1 определяется как расстояние L между первой осью C1 вращения и частью поверхности цилиндрического крыла 1, которая находится дальше всего от первой оси C1 вращения, как проиллюстрировано на фиг. 11D.
[0125] В цилиндрическом крыле 1, проиллюстрированном на фиг. 11E, четыре ребра 14, каждое из которых имеет четырехугольное поперечное сечение, и четыре разреза 16, каждый из которых имеет четырехугольное поперечное сечение, образованы на его поверхности так, чтобы располагаться параллельно оси C1 вращения. Хотя число ребер 14 и число разрезов 16 специально не ограничено, общее число ребер 14 и разрезов 16 предпочтительно приблизительно от трех до восьми. Высота каждого ребра 14 и глубина каждого разреза 16 предпочтительно равна или меньше чем 10% диаметра цилиндрического крыла 1. Расстояние между первой осью C1 вращения и самым высоким положением каждого ребра 14 определяется как расстояние L между первой осью C1 вращения и частью поверхности цилиндрического крыла 1, которая находится дальше всего от первой оси C1 вращения, как проиллюстрировано на фиг. 11E.
[0126] В цилиндрическом крыле 1, проиллюстрированном на фиг. 11F, два ребра 14, каждое из которых имеет четырехугольное поперечное сечение, два ребра 17, каждое из которых имеет поперечное сечение в виде дуги окружности, и два разреза 18, каждый из которых имеет треугольное поперечное сечение, образованы на его поверхности так, чтобы располагаться параллельно оси C1 вращения. Хотя число ребер 14, число ребер 17 и разрезов 18 специально не ограничено, общее число ребер 14, ребер 17 и разрезов 18 предпочтительно приблизительно от трех до восьми. Высота каждого ребра 14, высота каждого ребра 17 и глубина каждого разреза 18 предпочтительно равна или меньше чем 10% диаметра цилиндрического крыла 1. Расстояние между первой осью C1 вращения и самым высоким положением каждого ребра 14 определяется как расстояние L между первой осью C1 вращения и частью поверхности цилиндрического крыла 1, которая находится дальше всего от первой оси C1 вращения, как проиллюстрировано на фиг. 11F.
[0127] Цилиндрическое крыло 1 является примером первого элемента настоящего изобретения, а ребра 13, 14 и 17 и разрезы 15, 16 и 18 каждое является примером неровности первого элемента настоящего изобретения.
[0128] Как описано выше, за счет образования необязательной неровности, такой как выступы или разрезы на поверхности цилиндрического крыла 1, сила Магнуса, генерируемая в цилиндрическом крыле 1, может быть увеличена.
[0129] (Пятый Вариант осуществления)
Далее будет описано генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0130] ФИГ. 12 представляет собой вид спереди цилиндрического крыла 1 согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения.
[0131] В генерирующем тягу устройстве по типу эффекта Магнуса согласно пятому варианту осуществления на обоих концах цилиндрического крыла 1 в направлении первой оси C1 вращения образована часть D большого диаметра. Часть D большого диаметра вращается в виде единого целого с цилиндрическим крылом 1. За счет образования на обоих концах цилиндрического крыла 1 части D большого диаметра, потоки, генерируемые около центра и обоих концов цилиндрического крыла 1, сделаны однообразными, в результате чего сила Магнуса, генерируемая в цилиндрическом крыле 1, повышается.
Промышленная Применимость
[0132] Генерирующее тягу устройство по типу эффекта Магнуса согласно настоящему изобретению может эффективно регулировать величину силы Магнуса, генерируемой в цилиндрическом крыле, согласно направлению воздушного потока, воздействующего на цилиндрическое крыло с простой конструкцией, и полезно в качестве генерирующего тягу устройства для приведения в действие использующего энергию ветра вращающегося устройства, гидравлического вращающегося устройства, использующего энергию приливов вращающегося устройства, и гидро или пневмооборудования, такого как ветрогенератор, гидрогенератор и генератор приливной энергетической установки.
Список Ссылочных обозначений
[0133] 1, 1a, 1b, 1c: Цилиндрическое крыло
2, 2a, 2b, 2c: Направление вращения цилиндрического крыла
3, 3a, 3b, 3c: Направление движения цилиндрического крыла
4, 4a, 4b, 4c: Узел блокировки потока
5: Направление потока
6, 6a, 6b, 6c: сила Магнуса
7: Желобок
8: Ямка или выступ
9: Вихревой генератор
10: Выступающая деталь или разрез
11, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e: опорный элемент
12: Вторая ось вращения
13: Азимутальный угол генерирующего тягу устройства по типу эффекта Магнуса.