ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬСНЫЙ НИТЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
THREAD-TYPE IMPULSE POWER CONVERTER

Область техники, к которой относится данное изобретение.
Применяется в автомобильных, морских и авиационных транспортных средствах.
Уровень техники
Энергетически импульсный нитевой преобразователь (ЭИНП) представляет собой устройство, приводящее в движение механизм, с которым имеет жесткое соединение. В зависимости от области применения ЭИНП он является аналогом различных устройств.
При применении в автомобильной технике ЭИНП заменяет собой колесный привод и все механизмы, необходимые для реализации привода колес. Механизм привода колес позволяет приводить в движение автомобиль путем вращения колес за счет силы трения между ведущими колесами и поверхностью. Чтобы реализовать привод колес, обеспечить эффективную передачу энергии от двигателя, а также необходимую динамику данной передачи энергии, требуется целая система механизмов, изготовление и эксплуатация которых требует больших материальных затрат, что сказывается на стоимости конечного продукта. Они занимают определенное пространство, имеют определенную массу. При работе данных механизмов происходит потеря энергии при передаче ее на колеса автомобиля. Эффективность колесного привода во многом зависит от особенности материала той части колеса, которая непосредственно контактирует с поверхностью, по которой происходит движение, и от свойств самой поверхности, ее формы и материала, из которого она состоит.
Свойства поверхности не всегда оказываются благоприятными для движения и торможения по ней автомобиля. Присутствует явление проскальзывания колеса при трении о поверхность, что приводит как к неоправданным потерям энергии, так и невозможности обеспечения необходимой динамики движения и, в частности, значительно сказывается на проходимости автомобиля.
ЭИНП может применяться на морских видах транспорта в качестве замены гребного винта или группы винтов, парусов и иных средств, позволяющих приводить в движение морской транспорт, а также всех устройств и механизмов, дополнительно необходимых для реализации движения при помощи данных средств.
Гребной винт преобразует вращение вала двигателя в упор - силу, толкающую судно вперед. При вращении винта на поверхностях его лопастей, обращенных вперед, в сторону движения судна (засасывающих), создается разрежение, а на обращенных назад (нагнетающих) - повышенное давление воды. В результате разности давлений на лопастях возникает сила Y (ее называют подъемной). Разложив силу на составляющие - одну, направленную в сторону движения судна, а вторую перпендикулярно к нему, получим силу Р, создающую упор гребного винта, и силу Т, образующую крутящий момент, который преодолевается двигателем.
Упор в большой степени зависит от угла атаки α профиля лопасти. Оптимальное значение для быстроходных катерных винтов 4-8°. Если α больше оптимальной величины, то мощность двигателя непроизводительно затрачивается на преодоление большого крутящего момента, если же угол атаки мал, подъемная сила и, следовательно, упор Р будут невелики, мощность двигателя окажется недоиспользованной.
При движении корпус судна увлекает за собой воду, создавая попутный поток, поэтому действительная скорость встречи винта с водой Vα всегда несколько меньше, чем фактическая скорость судна V. У быстроходных глиссирующих мотолодок разница невелика - всего 2-5%, так как их корпус скользит по воде и почти не "тянет" ее за собой. У катеров, идущих со средней скоростью хода, эта разница составляет 5-8%, а у тихоходных водоизмещающих глубокосидящих катеров достигает 15-20%. Сравним теперь теоретическую скорость винта Hn со скоростью его фактического перемещения Vα относительно потока воды.
Разность Hn-Vα, называемая скольжением, и обуславливает работу лопасти винта под углом атаки α к потоку воды, имеющему скорость W. Отношение скольжения к теоретической скорости винта в процентах называется относительным скольжением:
s=(Hn-Vα)/Hn,
где s - относительное скольжение;
Hn - теоретическая скорость винта;
Vα - скорость фактического перемещения относительно поверхности воды.
Максимальной величины (100%) скольжение достигает при работе винта на судне, пришвартованном к берегу. Наименьшее скольжение (8-15%) имеют винты легких гоночных мотолодок на полном ходу; у винтов глиссирующих прогулочных мотолодок и катеров скольжение достигает 15-25%, у тяжелых водоизмещающих катеров 20-40%, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50-70%.
Коэффициент полезного действия
Эффективность работы гребного винта оценивается величиной его КПД, т.е. отношения полезно используемой мощности к затрачиваемой мощности двигателя.
Не вдаваясь в подробности, отметим, что главным образом КПД некавитирующего винта зависит от относительного скольжения винта, которое, в свою очередь, определяется соотношением мощности, скорости, диаметра и частоты вращения.
Максимальная величина КПД гребного винта может достигать 70~80%, однако на практике довольно трудно выбрать оптимальные величины основных параметров, от которых зависит КПД: диаметра и частоты вращения. Поэтому на малых судах КПД реальных винтов может оказаться много ниже, составлять всего 45%.
Максимальной эффективности гребной винт достигает при относительном скольжении 10-30%. При увеличении скольжения КПД быстро падает: при работе винта в швартовном режиме он становится равным нулю. Подобным же образом КПД уменьшается до нуля, когда вследствие больших оборотов при малом шаге упор винта равен нулю.
Однако следует еще учесть взаимовлияние корпуса и винта. При работе гребной винт захватывает и отбрасывает в корму значительные массы воды, вследствие чего скорость потока, обтекающего кормовую часть корпуса, повышается, а давление падает. Этому сопутствует явление засасывания, т.е. появление дополнительной силы сопротивления воды движению судна по сравнению с тем, которое оно испытывает при буксировке. Следовательно, винт должен развивать упор, превышающий сопротивление корпуса на некоторую величину
Ре=R/(1-t),
где t - коэффициент засасывания, величина которого зависит от скорости движения судна и обводов корпуса в районе расположения винта;
R - сила сопротивления воды при буксировке.
На глиссирующих катерах и мотолодках, на которых винт расположен под сравнительно плоским днищем и не имеет перед собой ахтерштевня, при скоростях свыше 30 км/ч t=0,02-0,03. На тихоходных (10-25 км/ч) лодках и катерах, на которых гребной винт установлен за ахтерштевнем, t=0,06-0,15.
В свою очередь, и корпус судна, образуя попутный поток, уменьшает скорость потока воды, натекающей на гребной винт. Это учитывает коэффициент попутного потока w:
Va=V(1-w) м/c,
где w - коэффициент попутного потока.
Значения w нетрудно определить по данным, приведенным выше.
Общий пропульсивный КПД комплекса судно - двигатель - гребной винт вычисляется по формуле:
h=hp·((1-t)/(1-w))·hm=hp·hk·hm,
где hp - КПД винта;
w - коэффициент попутного потока;
hk - коэффициент влияния корпуса;
hm - КПД валопровода и реверс-редукторной передачи;
t - крэффициент засасывания.
Коэффициент влияния корпуса нередко оказывается больше единицы (1,1-1,15), а потери в валопроводе оцениваются величиной 0,9-0,95 (1, 2, 3).
При работе грибного винта возникает большой уровень шума в воде, что делает заметным надводные и подводные объекты для средств акустики. Это при определенных условиях не благоприятно. Для передачи энергии от силовой установки непосредственно на винт требуется ряд механизмов, изготовление и эксплуатация которых требует определенных материальных затрат. Они занимают пространство и имеют определенную массу, использование данных механизмов также приводит к потере энергии. Кроме того, винт может выйти из строя по различным причинам, деформироваться, потерять лопасть, что приведет к ухудшению характеристик движения морского транспортного средства или полной невозможности движения, что в некоторых ситуациях особенно опасно.
Также ЭИНП можно применять и в авиации в качестве аналогов всех типов устройств, позволяющих приводить в движение все типы летательных аппаратов. ЭИНП можно рассматривать в качестве аналога воздушного винта
Воздушный винт предназначен для преобразования механической работы двигателя в работу силы тяги, используемую для перемещения самолета в пространстве.
Сила тяги образуется за счет реактивного действия отбрасываемой лопастями массы воздуха, проходящего через плоскость вращения винта.
Тягу винта Р можно определить по формуле
1
0
P=m(V-V),
где Р - тяга винта;
m - масса воздуха, проходящего за 1 с через плоскость вращения винта;
1
V - скорость потока в плоскости винта;
0
V - скорость невозмущенного потока на некотором удалении перед винтом (она равна скорости полета самолета).
Если учесть, что масса воздуха, проходящего за 1 с через плоскость вращения винта, определяется по формуле
2
1
m=πRVρ,
где R - радиус винта;
ρ - плотность воздуха; то
2
1
1
0
P=πRVρ(V-V).
Из последней формулы видно, что тягу можно увеличить либо за счет увеличения радиуса винта R, либо за счет увеличения скорости потока в плоскости винта V. Как будет показано ниже, увеличение скорости потока V неизбежно ведет к уменьшению КПД воздушного винта. Поэтому для каждого двигателя при определенной величине V, существует некоторый оптимальный размер винта, при котором и тяга, и КПД являются максимальными. Основная задача расчета винта и сводится к определению геометрических размеров этого "оптимального" винта.
Коэффициент полезного действия винта
Очень важной характеристикой воздушного винта является его полный КПД, показывающий, какая часть мощности двигателя преобразуется в полезную работу по перемещению самолета в пространстве. Численное значение полного КПД определяется по формуле
п
η=N/N,
где η - КПД;
n
N - полезная мощность;
N - располагаемая мощность двигателя.
Из курса физики известно, что полезная мощность - это произведение силы на скорость перемещения тела, в данном случае
п
0.
N=P·V
Таким образом:
0
η=PV/N,
где Р - тяга винта, Н;
0
V - скорость полета, м/с.
Опыт показывает, что даже у хорошо выполненных воздушных винтов фиксированного шага на оптимальной скорости полета полный КПД не превышает 0,7, а часто находится в пределах 0,5-0,6. Это означает, что 30-40% мощности, развиваемой двигателем, используется не по назначению. Так, например, увеличение полного КПД винта с 0,5 до 0,7 за счет подбора его диаметра и частоты вращения аналогично увеличению мощности двигателя на 40%.
Для создания тяги достаточно, чтобы винт при вращении производил ускорение воздушного потока в осевом направлении. Однако кроме осевого ускорения всегда имеет место и закрутка потока в направлении движения лопастей. Кроме того, часть мощности двигателя расходуется на преодоление сил трения лопастей о воздух. В соответствии с этим целесообразно рассматривать КПД винта как произведение КПД отдельных его составляющих - осевого, окружного и профильного:
ос.
окр.
пр.
η=ηηη,
ос
где η - осевой КПД;
окр
η - окружный КПД;
пр
η - профильный КПД.
ос
Осевой КПД воздушного винта η оценивает потери мощности с осевой скоростью потока, покидающего винт. Эти потери можно оценить, воспользовавшись формулой
п.o
где N - потери мощности с осевой скоростью;
2
v - вызванная осевая скорость в струе за винтом.
Из последней формулы видно, что потери с осевой скоростью пропорциональны первой степени секундной массы отбрасываемого воздуха т и второй степени его скорости v. Становится понятным, что эти потери при заданной тяге можно уменьшить, увеличивая массы отбрасываемого воздуха (например, за счет увеличения диаметра винта) с одновременным уменьшением скорости потока в струе за винтом. Увеличение диаметра винта (при заданной мощности двигателя) требует уменьшения его частоты вращения. В связи с этим почти во всех случаях выгодно использование в силовой установке понижающих редукторов.
0
Величину осевого КПД на выбранной скорости V при известной вызванной скорости в струе за винтом v можно определить по формуле:
ос
2
0
η=1/(1+(v/V)).
Из формулы видно, что не только полный, но даже осевой КПД никогда не может равняться единице, так как при создании тяги винтом всегда v>0.
Окружной КПД оценивает потери мощности на закрутку воздушного потока. Проведенные расчеты показали, что эти потери у воздушных винтов СЛС с двигателями мощностью до 50…60 кВт не превышают 2% от располагаемой мощности. Поэтому целесообразно, приняв за расчетную мощность, равную 98% от фактической, считать, что η=1. Такое допущение, практически не оказывая влияния на конечный результат, почти в два раза сокращает объем работ по расчету винта.
Профильный КПД оценивает потери мощности на преодоление сил давления и трения лопастей о воздух. Наибольшее влияние на величину этого КПД оказывает чистота поверхности лопастей. Профильный КПД аккуратно выполненных, отполированных и покрытых лаком винтовых профилей равен 0,84…0,88.
Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что при расчете винтов СЛС без существенных погрешностей считаем
ос
η=0,85η,
а для его увеличения следует стремиться к увеличению диаметра винта(4).
Применение винта не позволяет достичь больших скоростей полета и приводит к недостаточно эффективному использованию энергии, полученной от двигателя. Возникает высокий уровень шума, проявляется зависимость эффективности работы винта от внешних условий. Повреждение винта в воздухе крайне опасно.
Раскрытие изобретения
Возьмем ось вращения, вокруг которой на определенном расстоянии вращается некое тело (тело 1). Данное тело соединено с осью вращения эластичной растяжимой нитью. В результате вращения вокруг оси под действием нормального ускорения происходит натяжение нити и растяжение под собственным весом и весом прикрепленного к ней тела 1. Неподвижно в пространстве, недалеко от участка траектории движения тела 1 расположим некое тело 2 таким образом, что при определенном увеличении длины нити вследствие увеличения угловой скорости вращения и, как следствие, нормального ускорения, действующего на систему нить - тело 1, тела 1 и 2 взаимодействуют между собой. В основе данного взаимодействия могут лежать силы различной природы (механической, электрической, магнитной). Однако обязательным условием данного взаимодействия является то, что возникающие в результате данного взаимодействия силы, действующие на тела 1 и 2, должны быть противоположно направлены, то есть тело 1 и 2 должны взаимно отталкиваться. Данные силы будут одинаковы по модулю и противоположны по направлению. Каждая из двух сил, имеется в виду сила, действующая на тело 1 в результате его взаимодействия с телом 2 (сила 1), и сила, действующая на тело 2 в результате взаимодействия с телом 1 (сила 2), делятся на составляющие по отношению к силам, действующим на тело 1, связанными с нормальным или тангенциальным ускорением. Та часть силы 1, которая противодействует нормальной составляющей силы, действующей на тело 1 в результате его вращения (сила 3), называется нормальной составляющей силы, действующей на тело 1 со стороны тела 2 (сила 5).
Та часть силы 1, которая противодействует тангенциальной составляющей силы, действующей на тело 1 в результате его вращения (сила 4), называется тангенциальной составляющей силы, действующей на тело 1 со стороны тела 2 (сила 6). Та часть силы 2, которая равна по величине и противоположна по направлению силе 5, называется нормальной составляющей силы, действующей на тело 2 в результате взаимодействия с телом 1 (сила 7). Часть силы 2, которая равна по величине и противоположна по направлению силе 6, называется тангенциальной составляющей силы, действующей на тело 2 со стороны тела 1 (сила 8).
Величина силы 5 в зависимости от расположения тел 1 и 2 определяется косинусом прямой, проведенной от оси вращения до условной точки тела 1 (точка, по отношению к которой прикладываются все силы, действующие на тело 1), и прямой, соединяющей точку тела 1 с аналогичной точкой тела 2 (Фиг 1).
Для работоспособности системы должно соблюдаться условие, что сумма сил 3 и 5 будет больше нуля. Это условие позволяет сохранять нить в натянутом состоянии и передавать энергию от оси вращения к телу 1. Направление сил 3 и 4 считается положительным и относительно них определяется положительная или отрицательная та или иная сила.
Просуммировав силы 7, 5 и 3 мы получим силу 3, так как силы 7 и 5 всегда равны по модулю и противоположны по направлению. Этот показывает, что силы 7 и 5 не перемещают ось вращения в пространстве при любом взаимном положении тел 1 и 2 и полностью компенсируют друг друга. Это значит, что нормальная составляющая сил 1 и 2 воздействия на ось вращения не оказывает, если система в работоспособном состоянии, то есть сила 3 больше силы 5. Поэтому воздействие на ось вращения оказывают только силы 6 и 8. Сила 6 всегда направлена по касательной к телу 1. Вектор силы 6 всегда находится на одной прямой с вектором силы 4. Это значит, что сила 6 оказывает на ось вращение точно такое же воздействие, как и сила 4, то есть не вызывает ее линейное перемещение в пространстве, а сказывается только на параметрах вращения системы в зависимости от направления по отношению к силе 4.
Сила 8 заставляет двигаться тело 2 прямолинейно в пространстве. Это происходит по той причине, что тело 2 в отличие от тела 1 не вращается вокруг некой оси. В случае, когда взаимодействие идет в течение некоторого промежутка времени, вектор силы 8 меняет свое направление и модуль в зависимости от изменения взаимного положения тел 1 и 2. При этом движение тела 2 остается линейным, но векторная сумма разнонаправленных векторов силы 8 меньше суммы их модулей, что говорит о том, что результирующая сила, приводящая в движение тело 2, будет несколько меньше, чем если бы вектор силы 8 был направлен все время в одну сторону.
После передачи энергии тело 1 продолжит движение по траектории вращения вокруг оси на тех участках траектории, на которых взаимодействие энергии тела 1 и 2 не происходит. За это время нить частично или полностью восстановит потери энергии, израсходованной на сопротивление силам 5 и 6, и при прохождении участка траектории, на котором происходит взаимодействие тел 1 и 2, весь процесс повторится. Таким образом, процесс преобразования энергии носит цикличный характер.
Геометрическая форма тел 1 и 2, их физические параметры, свойства материалов, из которых они состоят, параметры и количество нитей, свойство материалов, из которых они состоят, определяются в каждом конкретном случае в зависимости от области, в которой применяется ЭИНП, количества энергии, которое он должен преобразовать, а также от природы сил взаимодействия тел 1 и 2. На практике вокруг оси вращения вращается несколько тел 1, а тело 2 одно. Кроме того, может существовать нескольких уровней с группами тел 1 и с телом 2, как показано на Фиг 2.
Группа тел 1 и тело 2, с которым они непосредственно не взаимодействуют, условно называется звеном.
Если тела 1 и 2 взаимодействуют между собой без непосредственного физического контакта, то ЭИНП данного типа называются бесконтактными.
КПД ЭИНП зависит от многих факторов. Потери энергии в процессе ее преобразования можно условно разделить на четыре вида.
К потерям первого рода относятся потери, связанные с присутствием побочных сил и процессов при работе ЭИНП, не связанные с особенностями передачи энергии. К ним относятся: потери на силу трения в элементах подшипников, потери на преодоление действия силы тяжести, потери на преодоления силы трения об воздух вращающихся элементов. Данные потери сводятся к минимуму при непосредственном проектирование ЭИНП.
Потери второго рода связаны с особенностью приема переданного импульса телом 2. В частности, они связаны с не параллельным распространением векторов силы 8 в теле 2, в этом случае сумма непараллельных векторов меньше суммы параллельных. Потери энергии в данном случае переходят в тепло.
Потери третьего рода связаны с компенсированием энергетической установкой энергии по перемещению тела 1 в результате его взаимодействия с телом 2. Хотя при взаимодействии тел 1 и 2 сила, действующая на каждое из них одинакова, но в распределении энергии между телами большее значение имеют некоторые параметры элементов ЭИНП, в частности отношение масс тел 1 и 2, силы натяжения нити и сил отталкивания между телами 1 и 2.
Потери четвертого рода связаны со специфическими особенностями типов ЭИНП в зависимости от сил взаимодействия между телами 1 и 2.
В зависимости от природы сил, вызывающих отталкивание между телами 1 и 2, различаются четыре типа ЭИНП.
МЭИНП
В случае, если сила, вызывающая отталкивание тел 1 и 2, имеет механическую природу (отталкивание происходит по причине упругости материалов тел 1 и 2), то есть тела 1 и 2 имеют непосредственный физический контакт между собой, то тип ЭИНП, основанный на использовании сил исключительно данной природы, называется Механический Энергетически Импульсный Нитевой Преобразователь (МЭИНП). Работа по перемещению тел 1 и 2 совершается путем передачи механической энергии телами 1 телу 2. Источником энергии является энергетическая установка, приводящая во вращение МЭИНП, по этой причине мощность МЭИНП не может превышать мощность силовой установки. Взаимодействие между телами 1 и 2 носит мгновенный, импульсный характер.
Для характеристики КПД МЭИНП вводятся следующие параметры.
1
Первым параметром является параметр эффективности передачи энергии к телам 1. Он показывает отношение энергии, преобразованной в энергию движения тел 1 по окружности и энергию натяжения нитей, которыми они крепятся, к энергии, получаемой от силовой установки, данный параметр обозначается a.
2
Второй параметр называется параметром эффективности преобразования. Данный параметр показывает отношение энергии, переданной телам 2, к энергии, преобразованной в энергию движения тел 1 по окружности и энергию натяжения нитей, которыми они крепятся, и обозначается а.
КПД МЭИНП определяется по формуле
1
2
η=а×а,
где η - КПД;
1
а - параметр эффективности передачи энергии к телам 1;
2
а - параметр эффективности преобразования.
К специфическим потерям, связанными с особенностью природы сил взаимодействия между телами 1 и 2, относятся следующие: потеря энергии на обратимую и необратимую деформацию тел 1, потеря энергии на колебания различных частот, потери энергии на тепло.
При взаимодействии тел 1 и 2, тело 1 отскакивает в сторону, противоположную движению тела 1 до момента удара, в результате чего тело 1 получает некую кинетическую энергию движения в данном направлении. Чтобы силовой установке привести энергетические параметры тела 1 и нити крепления к оси вращения в рабочее состояние, ей необходимо компенсировать данную кинетическую энергию и разогнать тело 1 до нужной скорости в противоположную сторону. По этой причине кинетическая энергия, полученная в результате отскакивания тела 1 от тела 2 при ударе, считается дополнительными потерями.
ЭЭИНП
Если отталкивание тел 1 и 2 происходит исключительно за счет электрической составляющей при взаимодействии электромагнитных полей, создаваемых данными телами, при этом они не имеют непосредственного физического контакта между собой, то тип ЭИНП, основанный исключительно на использовании сил данной природы, называется Электрический Энергетически Импульсный Нитевой Преобразователь (ЭЭИНП). В данном случае непосредственным источником, порождающим силы 1 и 2, являются электрические поля. Энергетическая установка выполняет только роль создания и поддержания сил 3 и 4.
При рассмотрении модели ЭЭИНП для наглядности будем считать, что заряд в телах 1 и 2 является точечным и не перемещается внутри данных тел, при этом тела 1 и 2 не являются материальными точками, а имеют конкретную геометрическую форму и размер.
Процесс взаимодействия тел 1 и 2 иной, чем в случае с МЭИНП. Фактически тело 1 взаимодействует с телом 2 все время при их любом взаимном расположении. Но на определенных участках траектории движения взаимодействие становится настолько слабым, что им можно пренебречь.
Модуль силы 8 в зависимости от взаимного положения тел 1 и 2 меняется следующим образом. Будем рассматривать в качестве начального положения тел 1 и 2 такое их взаимное расположение, при котором они расположены максимально далеко друг от друга. Это происходит в том случае, когда тело 1 находится на прямой, соединяющей ось вращения с точкой, в которой сосредоточен заряд тела 2, но не между ними, а за осью вращения. В этом случае величина сектора окружности между ними равна ста восьмидесяти градусам. В данной точке значение силы 8 равно по модулю нулю и полезная работа не совершается. По мере приближения тела 1 к телу 2 сила 8 начинает возрастать, меняя свое направление действия, при этом величина сектора окружности, ограниченного прямой, соединяющей точку, в которой сосредоточен заряд тела 2 и ось вращения, и прямой, соединяющую точку, в которой сосредоточен заряд тела 1, сокращается. Это происходит до тех пор, пока сектор окружности между фактическим положением тела 1 и максимально близким возможным взаиморасположением тела 1 к телу 2 не сократится до определенного значения. В этой точке модуль силы 8 достигнет своего максимально возможного значения. После этого, при дальнейшем сокращении длины сектора, сила 8 будет резко уменьшатся, так что при максимальном взаиморасположении тел 1 и 2 она окажется равной нулю и полезная работа также не будет совершаться в данной точке. Траектория движения тела 1 симметрична относительно прямой, соединяющей ось вращения с телом 2. Поэтому при дальнейшем движении тела 1 по мере его удаления от тела 2 ситуация полностью повторится в обратном порядке.
В результате, если мы просуммируем все векторы силы 8 на любой момент положения тела 1 относительно тела 2, получим результирующий вектор силы 8, отличный от нуля. Угол, в пределах которого будет изменять свое направление вектор силы 8, определяется геометрическими параметрами системы, но ни при каких условиях не превышает ста восьмидесяти градусов. Подобная конструкция ЭИНП называется Электрический Энергетически Импульсный Нитевой Преобразователь Энергетически Симметричной Схемы (ЭЭИНП-ЭСС).
Однако на практике использовать подобную модель не всегда энергетически выгодно. Это происходит по той причине, что угол, в пределах которого перемещается вектор силы 8 большой, а это сильно скажется на результирующем векторе силы 8. В ЭЭИН-ЭСС система энергетически симметрична относительно прямой, соединяющей тело 2 и ось вращения. Это значит, что если учитывать только силы вызванных электрическими полями тел 1 и 2, электрическое поле будет возвращать за один оборот системы телу 1 такое же количество энергии, как и забирать. Для повышения эффективности работы системы имеет смысл сделать систему энергетически не симметричной.
Чтобы система стала энергетически не симметричной, к телам 1 и телу 2 предъявляются определенные требования по форме и составу.
В зависимости от особенностей ЭЭИНП существует ряд способов достичь данного результата.
Если у нас есть возможность управлять изменением электрического поля, увеличивать или ослаблять его значение, то в этом случае проблема нарушения симметрии решается путем грамотного регулирования изменения электрических полей, создаваемых телами 1 и 2 в зависимости от их взаиморасположения. К примеру, с момента, когда тело 1 находится в ближайшей точке по отношению к телу 2, мы ослабляем электрическое поле тела 1. По всей длине траектории вращения электрическое поле, создаваемое им, находится в ослабленном состоянии, и лишь при приближении к точке, в которой вектор силы 8 имеет максимальное значение, в определенном диапазоне дуги по отношению к данной точке интенсивность поля возрастает. После прохождения данного участка траектории интенсивность поля ослабевает, и весь процесс повторяется с самого начала. Система становится энергетически несимметричной. Данный принцип называется Управляемый Принцип Нарушения Энергетической Симметричности Системы (УПНЭСС).
Если возможности влиять на интенсивность электрического поля извне нет, это можно сделать по статичному принципу. То есть предать телам 1 и 2 такую геометрическую форму и состав, чтобы интенсивность их взаимодействия менялась в зависимости от их взаиморасположения без изменения интенсивности электрического поля, создаваемого ими. Для этого тела 1 и 2 делают двухсоставными, то есть как минимум из двух материалов с принципиально разными свойствами. Пример подобной конфигурации приведен на Фиг 3.
Материал 1 обязательно должен иметь следующие свойства: быть сильным диэлектриком, иметь высокий коэффициент ослабления электрического поля, не иметь в себе избыточного заряда того или иного знака, то есть его суммарный заряд должен быть равен нулю.
Материал 2 является носителем заряда, должен иметь низкий коэффициент ослабления электрического поля, может быть проводником.
Видно, что тела 1 и 2 взаимодействуют только теми своими частями, которые состоят из материала 2, в которых и сосредоточен весь избыточный электрический заряд. Подобные свойства материалов тел 1 и 2, их расположение внутри данных тел с учетом взаимоположения тел 1 и 2 позволяют нам сделать систему энергетически не симметричной. Изменяя взаимное расположение материалов 1 и 2 внутри тел 1 и 2, мы можем добиться того, что взаимодействие будет значительным только при определенном положении тел 1 и 2, а при другом взаиморасположении оно будет существенно меньше. Это происходит потому, что в первом случае условия взаимодействия благоприятные, то есть, тела ориентированы так по отношению друг к другу, что их части, состоящие из материала 1, не препятствуют их взаимодействию друг с другом. При неблагоприятных условиях данные части наоборот препятствуют взаимодействию и оно становится более слабым (Фиг 4). Подобный принцип называется Статичный принцип нарушения энергетической симметричности системы (СПНЭСС).
Сила 5 присутствует при любом взаимоположении тел 1 и 2. Данная сила всегда вызывает некоторое перемещение тела 1 в пространстве. Сила 5 не совершает полезной работы и вредна для всей системы. Изменение величины силы 5 сильно отличается от изменения силы 8. Из за геометрической особенности системы сила 5 имеет наибольшую долю в силе 1 в ситуации, когда тело 1 наиболее приближено к телу 2 и, как следствие, величина их взаимодействия становится наиболее сильна. Если не предпринимать никаких мер по борьбе с силой 5, то затраты энергии на ее преодоление могут превышать затраты энергии на перешедшей телу 2 под действием силы восемь. Существует ряд мер для того, чтобы свести потери под действием силы 5 на тело 1 к минимуму.
Потери под действием силы 5 напрямую зависят от коэффициента жесткости нити. Чем данная величина больше, тем меньшее количество энергии затрачивается на перемещения тела 1 под действием силы 5. Кроме увеличения коэффициента жесткости нити с действием силы 5 можно бороться тем, что выбирать для взаимодействия тел 1 и 2 такие участки траектории, на которых доля силы 6 в силе 1 превышает долю силы 5. Сила 6 упомянута потому, что сила 8 равна ей по модулю и противоположна по направлению, таким образом, зная силу 6, легко можно оценить силу 8. Комплекс данных мероприятий позволяет значительно сократить потери энергии, связанные с действием силы 5 на тело 1, и как следствие, повысить значение КПД.
Необходимо также помнить о взаимовлиянии тел 1 друг на друга. Отметим, что тела 1 расположены друг к другу ближе, чем каждое из них расположено к телу 2. Заряды тел 1 довольно сильны и их взаимодействие друг с другом весьма существенно. Если мы используем УПНЭСС, то есть меняем интенсивность поля в зависимости от положения, то данная проблема будет решена довольно просто. Для этого достаточно, чтобы повышенной интенсивностью электрического поля обладало только одно тело 1. То есть при любом положении тел 1 два и более из них не могут иметь высокую интенсивность электрического поля. При СПНЭСС проблема взаимодействия тел 1 друг с другом стоит довольно остро. Несмотря на то, что при любом взаимном расположении тел 1 их взаимодействию препятствует материал 1, существенно сокращающий силу данного взаимодействия, пренебречь им нельзя.
Когда речь идет о взаимодействии тел 1 друг с другом, необходимо учитывать не только влияние тел, расположенных в непосредственной близости друг к друг, но и влияние еще нескольких отдаленных тел. Это необходимо по той причине, что габариты ЭЭИНП довольно малы, а величины электрических полей крайне велики. При оценке воздействия на каждое конкретное тело 1 рассматривается одинаковое количество других тел 1 как впереди, так и сзади. Воздействие на него тел, расположенных впереди и сзади (относительно направления вращения), может быть двух типов - симметричное и несимметричное. Симметричное воздействие - это такое воздействие, при котором тела 1, расположенные по бокам, воздействуют на тело 1, расположенное между ними, с одинаковой силой без нарушения естественной динамической симметрии. Естественной динамической симметрией называется такое взаимоположение тел 1, какое бы они имели при вращении системы, в случае когда на систему не оказывается воздействие извне и отсутствует взаимодействие между телами 1.
Несимметричное воздействие это такое воздействие, при котором тела 1, расположенные по бокам, действуют на тело 1, расположенное между ними, с одинаковой силой с нарушением динамической симметрии системы.
Нарушение естественной динамической симметрии происходит потому, что группа тел 1, находящаяся с одного боку, действует на тело 1, находящееся посередине, с большей силой, чем тела 1, находящиеся с другого боку. Такая система стремится прийти в состояние равновесия. Описать даже приблизительно процесс взаимодействия тел 1 друг с другом тяжело. Такое равновесие будет носить динамический характер и перемещение тел 1 в пространстве под действием сил их взаимодействия друг с другом будет иметь место. И как следствие того, дополнительные ненужные потери энергии.
Отметим также еще одно явление, которое имеет место в результате как взаимовлияния тел 1, так и их взаимодействия с телом 2 в ЭЭИНП в реальных условиях. Эта проблема связана с возможностью изменения плотности заряда в той или иной области тел 1 или 2, в которой заряд имеет возможность перемещаться. Одним словом, заряженные частицы внутри объема будут перемещаться так или иначе в зависимости от изменения внешних электрических полей, причем это будет происходить одновременно во всех телах 1 и 2 постоянно. Это означает то, что конфигурация и интенсивность электрического поля, создаваемого телами 1 и 2 в пространстве, также будет постоянно меняться. Данное явление значительно усложняет и без того сложный расчет системы. Данное явление можно использовать и в положительных целях, к примеру каким-либо образом статическими методами регулировать интенсивность или конфигурацию электрических полей в зависимости от их взаимного расположения.
Но лучше бороться с данным явлением или, по крайней мере, контролировать его. Для этого необходимо ограничить объем, по которому могут перемещаться заряженные частицы, или вовсе лишить возможности заряженные частицы, каким бы то ни было образом, перемещаться по объему. Можно также просто устранить сами частицы, которые могут перемещаться по объему, и перемещаться станет просто нечему. Здесь имеется в виду лишить вещество свободных электронов полностью, а положительно заряженные ядра не будут перемещаться, потому что удерживаются различными силами в узлах кристаллической решетки, если она имеется.
В зависимости от конструкции ЭЭИНП при определенных ситуациях можно руководствоваться принципом суперпозиции тел 1. Данный принцип действует в полной мере, когда два или более тел 1 одновременно находятся в благоприятных условиях для взаимодействия с телом 2, так что величина взаимодействия каждого из них с телом 2 не отличается друг от друга более чем на три порядка. Если принцип суперпозиции действует, то это означает, что сила 8 представлена сразу несколькими векторами, направление которых не совпадает. Точнее, сила 8 и будет представлять собой сумму данных векторов. Так как они не сонаправленны, то их векторная сумма будет меньше математической суммы их модулей. Это означает, что часть энергии перешедшей к телу 2, перейдет не в движение тела 2, а на некие другие цели, одним словом, в потери различного рода. По этой причине с явлением суперпозиции лучше бороться.
Но кроме принципа суперпозиции существует еще один неприятный момент в работе ЭЭИНП. А именно скольжение вектора силы 8. Так как тело 1 все время перемещается по отношению к телу 2, то и вектор силы 8 постоянно меняет свое направление в пределах определенного сектора. Данное явление негативно и полностью устранить его никак нельзя, можно только свести к минимуму потери энергии, связанные с ним. Потери энергии возникают по той же самой причине, что и в случае суперпозиции, только там векторы действуют одновременно, а здесь нет. Данные потери сводятся к минимуму методами изменения геометрии конструкции и правильным выбором участка активного взаимодействия тела 1 с телом 2.
Не только направление, но и модуль силы 8 непостоянен по времени. Значение силы 8 циклично меняется в определенном диапазоне значений. Если плотность расположения тел 1 будет недостаточно большой, то данные колебания будут существенны независимо от частоты вращения, так что в определенный момент времени значение силы 8 может падать до нуля. Если тела 1 расположены достаточно плотно, то колебания значения силы 8 будут незначительны. Лучше, чтобы изменение силы 8 было более плавным, однако, увеличив плавность импульса, мы одновременно ухудшим другие качества ЭИНП, увеличим негативное влияние принципа суперпозиции и так далее.
Также ЭЭИНП с нарушенной энергетической симметрией делятся на ряд категорий по принципу рабочего положения тела 1 на ЭЭИНП сближающегося типа (ЭЭИНП-СТ) и ЭЭИНП удаляющегося типа (ЭЭИНП-УТ).
В ЭЭИНП-СТ полезная работа совершается на участке траектории при приближении тела 1 к телу 2. Пример такой схемы показан на Фиг.5. В ЭЭИНП-УТ полезная работа довершается на участке траектории, при удаление тела 1 от тела 2. Пример такой схемы показан на Фиг.4. В первом случае тело 1 тормозится телом 2, во втором случае ускоряется. Может показаться, что величина взаимодействия, выраженная тангенциальной составляющей ускорения тел 1 и 2, в ЭЭИНП-УТ будет только убывать. Но на самом деле сила 8 будет изменяться точно также, как и в случае с ЭЭИНП-СТ, только в обратном порядке. В ЭЭИНП-УТ электрическое поле, совершая работу, помогает силовой установке, а не мешает ей по отношению к тангенциальной составляющей силы, действующей на тело 1. Но по отношению к нормальной составляющей препятствует натяжению нити до определенного момента времени, что приводит к определенным энергетическим потерям. Очевидно, что гораздо выгоднее схема ЭЭИНП-УТ. Тело 1, разгоняясь в результате взаимодействия с телом 2, начинает ускорять и ось вращения.
Охарактеризуем ЭЭИНП-СТ с точки зрения баланса сил. Расчеты показывают, что нет необходимости создавать ЭЭИНП больших размеров для передачи больших величин энергии. Ограничения, которые накладываются на габариты, двояки как по максимальным, так и по минимальным габаритам. Это связано со следующим. Ограничения по минимальным габаритам связаны с тем, что для успешной работы ЭЭИНП нить должна быть всегда натянута, а для этого сила 3 должна быть по модулю силы 5. Натяжение нити имеет решающее значение, так как только в этом случае осуществляется передача энергии к телу от энергетической установки. Если нить становиться ненатянутой, то энергетический контакт пропадает. Увеличение силы 3 можно достичь либо путем увлечения массы тел 1 или увеличением их скорости вращения. Но при этом необходимо, чтобы частота вращения не увеличивалась. Чтобы соблюсти данное условие, необходимо увеличить радиус вращения тела 1, при этом как следствие, увеличивается количество тел 1. Все это накладывает ограничения на габариты ЭЭИНП снизу. Ограничения по максимальным габаритам связаны как с практическими соображениями компактности, так и с возможностями силовой установки. Такая характеристика силовой установки как крутящий момент накладывает ограничение на работу ЭЭИНП-СТ. При работе ЭЭИНП-СТ возникает момент силы, направленный в противоположную сторону к тангенциальному ускорению. Чем больше плечо силы, то есть радиус окружности, по которой движутся тела 1, тем больший крутящий момент сопротивления вращению тел 1 возникает. Поэтому необходимо сделать плечо силы как можно меньше, то есть уменьшить радиус, по которому происходит вращение тел 1. Расчеты показывают, что для силовой установки мощностью пятьдесят киловатт такой радиус вращения тел 1 по окружности может составлять от десяти до двадцати сантиметров, а общий диаметр с корпусом ЭИНП может быть от двадцати пяти до пятидесяти сантиметров.
Если сравнить друг с другом ЭЭИНП-СТ и ЭЭИНП-УТ, то окажется, что последний тип лучше в плане КПД. Все вышеперечисленные формулы относятся к ЭЭИНП-СТ. При расчете ЭЭИНП-УТ алгоритм несколько изменяется.
В ЭИНП-УТ полезная работа совершается электрическим полем вследствие нарушения энергетической симметрии системы таким образом, что количество энергии электрического поля в механическую энергию движения системы по модулю превосходит количество энергии электрического поля, затрачиваемой на противодействие вращению системы, до того момента времени, пока сила противодействия вращению системы не сравняется по модулю с силой, приводящей систему во вращение. Подобная схема позволяет более полезно использовать энергию, получаемую от электрического поля. Вместо того чтобы оказывать энергетической установке сопротивление вращению, электрическое поле наоборот помогает ей. Это не значит, что электрическое поле совсем не сопротивляется движению тела 1 при его приближении, просто данное сопротивление по модулю меньше помощи движению по причине энергетически несимметричной системы. В результате электрическое поле отдает телу 1 больше энергии, чем получает при грамотной конфигурации тел 1 и тела 2. Тело 2 помогает силовой установке вращать тела 1, сообщая системе дополнительный крутящий момент.
Таким образом, в ЭЭИНП-УТ вклад силовой установки гораздо меньше и она выполняет только второстепенную роль. Она должна разогнать элементы 1 до определенного значения скорости и поддерживать данную скорость.
Основной величиной, позволяющей качественно оценить ЭЭИНП, является эффективная плотность заряда. Она показывает отношение среднего значения тяги, создаваемой ЭЭИНП в максимально возможном режиме работы, помноженное на десять в минус одиннадцатой степени, к произведения избыточного заряда тела 2 на среднеарифметическое всех избыточных зарядов тела 1 в звене. Обозначается О и имеет размерность .
Данная величина связана с упрощенным представлением ЭЭИНП. При упрощенном рассмотрение ЭЭИНП представляется как система точечных зарядов, и взаимодействие между ними считается как взаимодействие в системе точечных зарядов. Это позволяет наиболее наглядно описать устройство и принцип действия ЭЭИНП, упрощенно рассчитать процессы, происходящие в системе, с целью качественно выявить его основные технические параметры. Вводимая нами величина позволяет нам оценить тягу, создаваемую ЭЭИНП, в зависимости от величин точечных зарядов, геометрии их взаимного расположения и параметров среды, в которой происходит взаимодействие зарядов с учетом ее неоднородности.
Для СПНЭСС
где О - эффективная плотность заряда;
n - количество тел 1;
т
F - сила тяги, создаваемой устройством;
1
q - величина заряда тела 1;
2ср
q - среднее значение величины заряда тела 2;
отт
F - тангенциальная составляющая силы отталкивания между телами 1 и 2;
м
ε - диэлектрическое сопротивление среды для взаимодействия с телом, расположенным дальше по ходу вращения по отношению к телу 2;
б
ε - диэлектрическое сопротивление среды для взаимодействия с телом, расположенным ближе по ходу вращения по отношению к телу 2.
-6
-5
-4
Это значит, что для того чтобы создать максимальную тягу силой 1 ньютон при данных особенностях геометрической конструкции, среднее произведение зарядов тела 1 и 2 должно быть десять в минус одиннадцатой. То есть это могут быть два одинаковых заряда с величиной 3.162·10 кулон. Величина, равная корню квадратному из произведения средних значений тел 1 и 2 при максимальной тяге в 1 ньютон, для каждого значения величины эффективной плотности заряда называется условный оценочный заряд. Чтобы увеличить тягу в n раз, необходимо увеличить условный оценочный заряд в квадратный корень из n раз, к примеру, чтобы создать тягу в 100 ньютонов при O=1, условный оценочный заряд должен иметь величину 3.162·10 кулон, а для тяги 10000 ньютонов величина данного заряда должна составлять 3.162·10 кулон. На практике данная величина эффективной плотности заряда составляет для ЭЭИНП-УТ 0.4-0.08. При увеличение радиальных габаритов ЭЭИНП эффективная плотность заряда уменьшается, и как следствие того величина заряда создающего электрическое поле необходимой величины для достижения того же самого результата увеличивается. Однако с другой стороны увеличение радиальных размеров для ЭЭИНП-УТ имеет положительное значение, так как увеличивается крутящий момент устройства по причине увеличения плеча силы.
Конструкция ЭЭИНП представляет собой поиск "золотой середины", так как получается, что сводя на нет влияние одного негативного фактора, мы одновременно увеличиваем влияние другого негативного фактора.
Учитывая все вышеперечисленное, точно оценить КПД ЭЭИНП довольно сложно.
Для характеристики КПД в данном случае вводятся следующие параметры.
1
Первым параметром КПД ЭЭИНП является параметр эффективности использования энергоустановки. Показывает отношение энергии, затрачиваемой на восстановления энергетических параметров тел 1 после их взаимодействия с телами 2 во всех звеньях к мощности энергоустановки и обозначается p. При проектировке ЭЭИНП под каждую конкретную силовую установку необходимо, чтобы значение данного параметра было как можно больше, иначе использование энергии энергоустановки будет не эффективно, с одной стороны, это достигается снижением потерь первого рода, с другой стороны, подбором оптимального количества звеньев с определенными динамическими параметрами.
2
Вторым параметром КПД ЭЭИНП является параметр эффективности использование источника электрического поля. Данный параметр показывает отношение энергии, затраченной электрическим полем на перемещение в пространстве тел 1 и 2 всех звеньев, к энергии, затрачиваемой на поддержание электрического поля, и обозначается р. Данный параметр также должен максимально возможно приближаться к единице.
3
Третьим параметром КПД ЭЭИНП является параметр полезности преобразования. Данный параметр показывает отношение энергии, получаемой телами 2 и их продолжением (имеется ввиду само транспортное средство, приводимое в движение), к энергии электрического поля, затраченной на перемещение тел 2 и 1 во всех звеньях. Данный параметр характеризует эффективность использования энергии электрического поля в полезных целях и обозначается р. Данный коэффициент должен по возможности приближаться к единице.
Коэффициент подобия полезных мощностей
1
Коэффициент подобия полезных мощностей показывает отношение количества энергии, затрачиваемой электрическим полем на перемещение тел 2 и их продолжения, к работе, затрачиваемой силовой установкой на восстановления энергетических параметров тел 1 после их взаимодействия с телами 2 во всех звеньях, и обозначается k. Смысл данного коэффициента заключается в том, чтобы количественно оценить соотношение полезных мощностей электрического поля и силовой установки.
Коэффициент подобия начальных мощностей
2
Коэффициент подобия начальных мощностей показывает отношение общего количества энергии, затрачиваемое источником электрического поля, к энергии, затрачиваемой энергетической установкой, обозначается k.
Для характеристики использования энергии, поступающей в ЭИНП, используется такое понятие как технический КПД. Смысл данного КПД заключается в том, что не только энергия электрического поля, перешедшая в кинетическую энергию тела 2, но и энергия, затрачиваемая силовой установкой на восстановление энергетических параметров тел 1, считается полезно использованной.
Технический КПД ЭЭИНП определяется по формуле
т
где η - технический КПД;
1
p- параметр эффективности использования энергоустановки;
1
k - коэффициент подобия полезных мощностей;
2
k - коэффициент подобия начальных мощностей.
В данной формуле учитываются все возможные потери, связанные с работой ЭЭИНП.
ЭИНП бесконтактного типа, в котором для поддержания необходимых рабочих параметров электрического или магнитного поля как рабочей составляющей или их совокупности не требуются дополнительные затраты энергии извне, называется Энергетически Импульсный Нитевой Источник (ЭИНИ). ЭИНИ в полной мере существует только в теории по той причине что создать систему, которая бы полностью не нуждалась в энергии извне, при этом постоянно поддерживая необходимые параметры электромагнитных полей, практически невозможно. Рассмотрение ЭИНИ носит теоретический характер и необходимо как некий абсолютный эталон, максимальное совершенство которое может достичь ЭИНП в плане эффективности использования внешних энергоресурсов. В этом смысле любая реальная конструкция ЭИНП бесконтактного типа в той или иной степени приближается к ЭИНИ в зависимости от того, чем меньшее количество энергии необходимо расходовать на поддержание необходимых параметров полей при условии наибольшей полезной энергетической отдачи.
В случае ЭИНИ расчет КПД имеет несколько другой вид. В данном случае получается, что энергия электрического поля получается нами без дополнительных затрат и ее можно считать как бы производимой ЭИНИ, так как она возникает и эффективно используется по причине конструкции ЭИНИ. То есть ЭИНИ становится не преобразователем энергии, а ее источником (имеется в виду характеристика не по функции, так как принцип преобразования энергии сохраняется, а условная качественная характеристика, указывающая на то, что количество полезной энергии превышает количество затрачиваемой). Формально это верно всегда, если электрическое поле не требует затрат на свое поддержание, однако на практике может получиться так, что количество энергии, затрачиваемой силовой установкой, может быть меньше количества полезной энергии. По отношению к силовой установке технический КПД ЭИНИ будет определяться по следующей формуле:
т
1
1
η=p×(1+k),
т
где η - технический КПД;
1
p - параметр эффективности использования энергоустановки;
1
k - коэффициент подобия полезных мощностей.
Как видно из формулы, КПД может превышать единицу, что свидетельствует о том, что ЭИНИ является источником энергии. Отметим, что КПД является динамичной величиной и зависит от многих факторов как связанных с конструкцией ЭИНИ, так и с условием внешней среды, сопротивляющейся движению транспортного средства.
Значение КПД можно оценить качественно иначе. КПД, рассчитанный вышеуказанным образом, получается достаточно высоким, около 0,8 и больше. Однако данный КПД не характеризует реальное отношение энергии, потребляемой ЭЭИНП, к преобразуемой им в полезную работу. Это происходит потому, что полезную работу как конечный продукт совершает только электрическое поле, а это означает, что вся работа, совершаемая силовой установкой, уходит в потери. То есть мы не можем считать полезной работу силовой установки по восстановлению энергетических параметров тел 1 по отношению к конечному результату. КПД, в котором полезной работой считается только работа по перемещению тела 2, называется практическим и показывает отношение полезной энергии к общей энергии, потребляемой системой.
Очевидно, что практическое КПД будет тем больше, чем больший вклад будет вносить в процесс преобразования электрическое поле по отношению к энергетической установке, и от эффективности данного вклада.
Практическое КПД определяется по формуле:
п
где η - практическое КПД;
2
p - параметр эффективности использования источника электрического поля;
3
p - параметр полезности преобразования;
2
k - коэффициент подобия начальных мощностей.
Значение практического КПД составляет 0.4-0.6. То есть в зависимости от конструкции от половины до трети всей энергии, поступающей в ЭЭИНП, расходуется на процессы, не приводящие к непосредственному движению транспортного средства.
Рассмотрим, какие именно параметры конструкции ЭЭИНП положительно сказываются на практическом КПД.
Потеря энергии на компенсирование силы, действующей на одно звено за одну секунду, для ЭЭИНП-СТ определяется по формуле:
з
от
E=c×n×F×h,
з
где Е - потеря энергии на компенсирование силы, действующей на тело 1 в результате взаимодействия с телом 2;
от
F - сила, действующая на тело 1 в результате взаимодействия с телом 2;
с - частота вращения;
n - количество тел 1;
h - путь, пройденный всеми телам 1 под действием сил 3 и 4.
Количество энергии, передаваемое телу 2 при взаимодействию с телом 1 определяется по формуле для всех типов ЭЭИНП(телом 2 считается транспортное средство)
п
где Е - количество энергии, полученной телом 2 за время t;
отт
F - сила, действующая на тело 1 в результате взаимодействия с телом 2, ее тангенциальная составляющая;
соп
F - сила сопротивления движению транспортного средства окружающей среды;
m - масса транспортного средства;
t - время взаимодействия тел 1 и 2;
0
v - начальная скорость движения тела 2;
от
соп
Необходимо отметить, что такие величины как F, F также зависят от времени.
3
1
2
По отношению к коэффициентам и параметрам, характеризующим КПД, уменьшение затрат энергии на перемещение тел 1 сказывается в сторону увеличения значений р, k, а также k.
1
где k - коэффициент распределения работы, совершаемой электрическим полем между телами 2 и 1.
2
р - параметр эффективности использования источника электрического поля;
3
р - параметр полезности преобразования;
3
1
Выразим р через k
1
Выразим иначе коэффициент k для ЭЭИНП-СТ
отт
где F - сила, действующая на тело 1 в результате взаимодействия с телом 2;
с - частота вращения;
отн
F - сила, действующая на тело 1 в результате взаимодействия с телом 2;
t - время взаимодействия тел 1 и 2;
m - масса транспортного средства.
1
Данная формула представлена в очень упрощенном виде и не полностью раскрыта. Отметим только, что для увеличения значения k желательно уменьшить частоту вращения как можно сильнее. Может показаться, что нужно также уменьшать количество тел 1, но это вовсе не так, потому что сделав это, мы увеличим разность в изменении модуля силы 8 во времени и получится, что результирующая этих колебаний будет небольшая. Если раскрыть формулу более подробно, это становится очевидным.
1
2
1
Коэффициенты p и р не сильно изменяются с изменением параметров внешней среды и их можно условно считать константами. В этом случае коэффициент k является основным параметром, определяющим динамику изменения КПД от изменения условий сопротивления внешней среды движению транспортного средства, а также параметров самого транспортного средства и параметров ЭЭИНП. Как видно из формулы КПД ЭЭИНП зависит от массы того транспортного средства, которое приводится им в движение. Чем легче транспортное средство, приводимое в движение, тем более эффективен ЭЭИНП.
Для ЭИНИ практическое КПД определяется по формуле
п
1
1
η=k×p,
1
где k - коэффициент распределения работы, совершаемой электрическим полем между телами 2 и 1;
1
p - параметр эффективности использования энергоустановки.
МаЭИНП
Если отталкивание тел 1 и 2 происходит исключительно за счет магнитной составляющей при взаимодействии электромагнитных полей, создаваемых данными телами, при этом они не имеют непосредственного физического контакта между собой, то тип ЭИНП, основанный исключительно на использовании сил данной природы, называется Магнитный Энергетически Импульсный Нитевой Преобразователь (МаЭИНП).
Работа по перемещению тел 1 и 2 совершается магнитным полем, мощность (МаЭИНП) не превышает мощности источника магнитного поля.
Все особенности КПД, относящиеся к ЭЭИНП, в полной мере относятся и к МаЭИНП, коэффициенты используются точно такие же, только вместо электрического поля используется магнитное. Однако различие в расчетах присутствует кардинальное и становится очевидным на уровне расчета каждого из коэффициентов, однако итоговые формулы точно такие же. Силовые линии электрического поля существенно отличаются от силовых линий магнитного поля. Поэтому возможности использования магнитных полей в качестве источников сил отталкивания весьма затруднительны и подробно описаны здесь не будет.
СЭИНП
Если силы, вызывающие отталкивания между телами 1 и 2, имеют смешанную природу хотя бы в одном звене, или в одном ЭИНП имеется несколько звеньев, и взаимодействия внутри звена осуществляется только с использованием сил одной природы, но между группами имеется различие природы применяемых в них сил, то данный тип ЭИНП называется - Смешанный Энергетически Импульсный Нитевой Преобразователь (СЭИНП).
Независимо от типа транспортного средства, приводимого в движение, к параметрам внешней среды, влияющим непосредственно на ЭИНП, относятся только параметры, связанные с сопротивлением среды движению транспортного средства, тогда как при использовании аналогичных по назначению средств влияние также оказывают параметры, связанные с особенностью отталкивания от внешней среды. В этом и заключается кардинальное отличие ЭИНП от всех аналогов, этим и обуславливаются все преимущества, связанные с его использованием. ЭИНП не отталкивается от внешней среды, а как бы толкает сам себя.
Применение ЭИНП в различных областях позволяет получить следующий технический результат.
Применение в автомобильном транспорте
Автомобиль приводится в движение не в результате вращения ведущих колес, их трения о поверхность, а ЭИНП, расположенным внутри автомобиля и жестко скрепленным с ним. В ходе преобразования энергии ЭИНП приводит в движение сам себя, а заодно и автомобиль, к которому прикреплен, оставаясь относительно него неподвижным. В этом случае автомобиль является как бы продолжением тела 2. ЭИНП привод имеет ряд преимуществ по отношению к колесному приводу.
Известно, что в общем балансе потерь на движение колесной машины превалируют потери энергии в зоне контакта пневматического колеса с опорной поверхностью. Причем их уровень определяется как физико-механическими характеристиками колеса и опорной поверхности, так и режимом качения колеса.
Проведя ряд вычислений, которые не будут здесь приводиться, получим соотношения затрат энергии, потери мощности ведомым колесом на деформацию грунта в полтора раза превышают аналогичные потери при качении колеса в свободном режиме (5, 6, 7).
При использовании ЭИНП качение колес всегда происходит в свободном режиме, что позволяет значительно снизить затраты энергии при движении автомобиля, при этом обеспечив свойства полного привода.
В автомобиле нет необходимости в механических элементах, обеспечивающих колесный привод. Проходимость автомобиля значительно повышается по причине отсутствия пробуксовки. Колеса в таком автомобиле выполняют роль только уменьшения силы трения о поверхность при движении. При типе движения с ЭИНП автомобиль как будто все время кто-то толкает, поэтому проскальзывание между колесами и поверхностью отсутствует. Это приводит к полному отсутствию пробуксовки даже при большом ускорении, автомобиль трогается с места мгновенно, не тратя энергию на проскальзывание колес по поверхности. Даже если автомобиль сядет на днище всеми четырьмя колесами, это не помешает ему продолжить дальнейшее движение. Подобные особенности дают преимущество по проходимости больше чем полноприводному автомобилю. По той же самой причине при разгоне автомобиль равнодушен к скользкости поверхности и одинаково хорошо разгоняется как на льду, так и на сухом асфальте.
Направление вектора энергии ЭИНП может быть подвижным, это улучшит маневренность автомобиля, если вектор будет грамотно изменять направление в соответствии с положением поворачивающих колес. Также ЭИНП может предотвращать занос автомобиля, посылая направление энергии движения в том или ином направление, когда это нужно в той или иной ситуации. Эта особенность позволяет использовать ЭИНП и в качестве дополнения к основной системе торможения. Это возможно благодаря тому, что ЭИНП направляет импульс в противоположную сторону направлению вектора скорости движения автомобиля, тем самым тормозя машину.
Конечно, такой тип торможения не может использоваться как самостоятельный, а только в качестве дополнения к традиционному типу торможения путем блокирования колес. Эффективность данного торможения определяется мощностью силовой установки автомобиля и способностью ЭИНП преобразовывать эту мощность, а также массой автомобиля, и не зависит от свойств поверхности, на которой происходит торможение. Так на поверхностях, благоприятных для торможения, ЭИНП вносит значительный вклад в сокращение величины тормозного пути, особенно в условиях гололеда, скользкой трассы или гравия.
Применение в морском транспорте.
Заменяя собой гребной винт на надводных и подводных судах, ЭИНП позволяет увеличить при необходимости бесшумность этих объектов. Также ЭИНП позволяет повысить их маневренность, например корабль может в случае необходимости двигаться с места боком перпендикулярно носу или развернуться на 360 градусов на одной точке вокруг своей оси. Величина КПД ЭИНП больше, чем при использовании гребного винта. Использование ЭИНП позволяет избежать таких недостатков гребного винта, как зависимость КПД от относительного скольжения судна, не надо учитывать потери, связанные с взаимным влиянием корпуса и винта, а также иных недостатков, связанных с тем, что гребному винту приходится для движения непосредственно взаимодействовать с внешней средой.
При условии применения на транспорте типа амфибий ЭИНП позволяет заменить собой одновременно средства, позволяющие приводить данный вид транспорта как по суше, так и на воде.
Применение в авиационном транспорте
ЭИНП может применяться и в авиационном транспорте в качестве замены воздушных винтов на легких летательных аппаратах всех типов и других механизмов, обеспечивающих тягу.
Для авиационного транспорта правильнее будет рассматривать систему ЭИНП - силовая установка. На летательных аппаратах с использованием винтов эта система будет выглядеть как винт - силовая установка. Но целесообразна ли будет такая замена?
Рассмотрим плюсы и минусы по отношению к винту
Минусы. ЭИНП гораздо дороже и сложнее винта в плане изготовления и эксплуатации. На определенных типах летательных аппаратов необходима установка нескольких ЭИНП. ЭИНП значительно тяжелее винта, что очень существенно при применении в авиационном транспорте. Применение ЭИНП различных типов может требовать установку дополнительного оборудования.
Плюсы. КПД ЭИНП в зависимости от типа конструкции может превышать КПД винта, отсутствует верхний предел скорости по сравнению с винтом. Зависимость от условий внешней среды снижается в том аспекте, который связан с необходимостью непосредственного отталкивания от нее для осуществления движения. Управляемость летательного аппарата повышается, в этом плане эффект использования ЭИНП сопоставим с использованием реактивных двигателей с управляемым вектором тяги. При использовании ЭИНП достаточной мощности на летательном аппарате возможно реализовать одновременно вертикальные и горизонтальные взлет и посадку, причем эти функции могут реализовываться одним и тем же ЭИНП и не требуется спецификации ЭИНП в этом плане. К примеру, направляя вектор ЭИНП вверх, мы можем обеспечить вертикальный взлет, после чего изменив направление вектора тяги по движению летательного аппарата, продолжить горизонтальный полет.
Краткое описание чертежей.
На Фиг.1 иллюстрируется основной принцип, лежащий в работе ЭИНП. Тела 1 и 2 указаны в момент непосредственного взаимодействия между собой с указанием участвующих в процессе сил, представленных в качестве векторов, дающих представление об их направлении и соотношеним между собой. На чертеже взаимодействие тел 1 и 2 бесконтактное, но при контактном взаимодействии ситуация аналогична.
На Фиг.2 изображена принципиальная схема построения ЭИНП. Показана возможность наращивания звеньев как путем увеличения диаметра ЭИНП, так и путем увеличения длины внутренней полости. Тела 1 и 2 обозначены условно и реально имеют иные геометрические формы и размеры. Чертеж построен упрощенно и на нем указываются только основные элементы, присутствующие в ЭИНП любого типа. Данный чертеж имеет целью только наглядно показать общие направления построения ЭИНП.
На Фиг.3 изображено взаимное расположение материалов тел 1 и 2. Данное взаиморасположение материалов обеспечивает энергетическую несимметричность системы при определенном взаимном расположении тел 1 и 2 статическим способом. Материал 1 диэлектрик с высоким коэффициентом ослабления электрического поля. Материал 2 может быть проводником с низким коэффициентом ослабления электрического поля.
На Фиг.4 изображена статическая схема нарушения симметрии для ЭЭИНП-УТ. Линии, проведенные от точки материала 2 тела 2 к точке материала 2 тела 1, являются силовыми линиями электрического поля. Точки, из которых они проведены, показывают положение точечных зарядов, сосредоточенных в телах 2 и 1. Как видно на рисунке, силовая линия электрического поля на всем своем пути проходит через материал 2 и пространство между телами 1 и 2, не касаясь материала 1 для двух тел 1, расположенных слева относительно оси симметрии, поэтому условия взаимодействия между данными телами 1 и телом 2 считаются благоприятными. Для тел 1, находящихся справа, условия взаимодействия не благоприятные, так как на пути силовой линии электрического поля становится материал 1. Это значит, что электрическое поле в направлении тел 1, расположенных справа, будет ослаблено больше, чем для тел 1, расположенных слева, соответственно тела слева будут сильнее взаимодействовать с телом 2, чем тела, находящиеся справа. Это значит, что электрическое поле будет ускорять вращение тел 1.
На Фиг.5 изображена статическая схема нарушения симметрии для ЭЭИНП-СТ. Линии, проведенные от точки материала 2 тела 2 к точке материала 2 тела 1, являются силовыми линиями электрического поля. Точки, из которых они проведены, показывают положение точечных зарядов, сосредоточенных в телах 2 и 1. Как видно на рисунке, силовая линия электрического поля на всем своем пути проходит через материал 2 и пространство между телами 1 и 2, не касаясь материала 1 для одного тела 1, расположенного справа относительно оси симметрии, поэтому условия взаимодействия между данным телом 1 и телом 2 считаются благоприятными. Для тел 1, находящихся слева, и других тел 1, находящихся слева, условия взаимодействия не благоприятные, так как на пути силовой линии электрического поля становится материал 1. Это значит, что электрическое поле в направлении тел 1, расположенных справа, будет ослаблено больше, чем для ближайшего тела 1, расположенного справа, соответственно тела справа будут сильнее взаимодействовать с телом 2, чем тела, находящиеся слева. Это значит, что электрическое поле будет замедлять вращение тел 1.
Осуществление изобретения
Создание реальной модели ЭИНП, которая имела бы высокое КПД, была бы надежна, компактна и при этом передавала бы большое количество энергии, технически непростая задача. В зависимости от выбранной природы сил взаимодействия между телами 1 и 2 при практическом воплощении того или иного типа проектировщик ЭИНП сразу же сталкивается с рядом серьезных проблем, решить каждую из которых довольно затруднительно. Данные проблемы связаны с возникновением побочных нежелательных явлений и настолько серьезны, что ставят под вопрос саму возможность воплощения ЭИНП в жизнь. Укажем на некоторые из них.
При работе МЭИНП между телами 1 и 2 происходит постоянный физический контакт со всеми вытекающими из этого факта отрицательными последствиями. То есть тела 1 практически непрерывно бьются в некую часть тела 2, причем с большой силой. Очевидно, что как бы ни был прочен материал контактирующей части тела 2, он очень быстро деформируется и разрушится. Также при этом могут возникать сильные вибрации, что может со временем привести к разрушению всей конструкции.
При работе ЭЭИНП для его практической реализации мы должны сосредоточить и удерживать заряд довольно большой величины на маленьком участке поверхности или объема.
И это только некоторые сложности, которые сразу же бросаются в глаза, скрытых проблем также достаточно много. Однако все это говорит не о невозможности в принципе создать работоспособный ЭИНП, а о том, что это будет не такая простая задача, как может показаться на первый взгляд. При всей простоте используемых физических принципов, для того чтобы воплотить их в жизнь необходимо применение высоких технологий, новых материалов и идей. Получить преимущества, которые дает использование ЭИНП по сравнению со своими аналогами, весьма не простая задача и требует серьезных затрат.
Однако, несмотря на природу используемых сил отталкивания тел 1 и 2 и те ухищрения, на которые идет проектировщик для решения тех или иных проблем, связанных с их использованием, можно в общих чертах обрисовать основные отличительные признаки конструкции ЭИНП любого типа.
ЭИНП внешне представляет собой цилиндрическое тело, которое в зависимости от необходимости размещения и особенности конструкции может представлять либо длинный цилиндр с малым радиусом, либо узкий цилиндр большого радиуса. На оси вращения цилиндра расположен вал, через который осуществляется передача энергии от силовой установки. Часть вала выдается из цилиндра с одной стороны. На выдающейся части вала расположены элементы сцепления с силовой установкой. Внутри цилиндра располагается рабочая полость, в которой осуществляется вращение тел 1. Внешние стенки цилиндра представляют собой корпус, который, как правило, герметичен и защищает элементы внешней полости от всех видов воздействий внешней среды и позволяет поддерживать постоянно определенные параметры среды внутри.
Ось вращения тел 1 в ЭИНП совпадает с осью вращения вала. На валу имеются утолщения, обеспечивающие его жесткую связь со всеми уровнями ЭИНП. Корпус соединяется с валом путем одного или нескольких подшипниковых соединений. С корпусом жестко соединены тела 2. При увеличении угловой скорости вращения вала происходит растяжение нитей, за которые прикреплены тела 1. В результате этого происходит сближение участка траектории их вращения с телом 2. На определенном расстоянии или при непосредственном контакте между ними возникает, взаимодействие, приводящее к отталкиванию между телами 1 и 2 (фиг 2).
Список литературы
1. Справочник по малотоннажному судостроению. Составитель Б.Г.Мордвинов.
Издательство "Судостроение", Ленинград, 1988.
2. Справочник по катерам, лодкам и моторам. Под редакцией Г.М.Новака.
Издательство "Судостроение", Ленинград, 1979.
Издательство "Судостроение", Ленинград, 1982, с изменениями.
3. Катера, лодки и моторы в вопросах и ответах. Под редакцией Г.М.Новака.
Издательство "Судостроение", Ленинград, 1977.
4. Аникин Н.А., Дробышевская Н.И., Дудинов В.А. и др. Справочник для изобретателя и рационализатора. М.: Машиностроение, 1962.
5. Синицын С.С., Буров П.А. Уменьшение сопротивления качению колесного движителя по деформируемому основанию // Эксплуатация лесовозного подвижного состава: Межвуз. сб. - Свердловск, 1987.
6. Синицын С.С. Энергетический принцип оптимизации качественных характеристик колесных транспортно-технологических машин // Проблемы повышения качества промышленной продукции: Межвуз. сб. - Брянск, 1998.
7. Справочник по специальным функциям. - М.: Наука, 1979.