ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к лопастным движителям, предназначенным для создания силы тяги в текучих средах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Средства, предназначенные для движения, посредством отталкивания от текучей среды хорошо известны, к их числу относятся, в частности воздушный винт, водяной винт, гусеничный тракт, гребная лопасть, гребное колесо, маховое крыло и весла.

Известен аппарат воздушной станции, имеющий две рамки, с установленными в них парашютами (патент Франции N« 5411 10). Рамки расположены друг над другом и способны совершать возвратно-поступательные движения перпендикулярно своей плоскости, не мешая друг другу. Движение рамок вверх и вниз осуществляется

поочередно. При движении рамок вверх парашюты находятся в открытом состоянии и не встречают большого сопротивления среды. Рамки приводятся в движение приводом, содержащим двигатель, два барабана, канаты и механизм сцепления. При движении рамок вниз под действием силы тяжести парашюты автоматически закрываются, испытывая значительное сопротивление среды. Парашюты пассивны, не имеют собственного привода. Открытие и закрытие парашютов происходит за счет воздействия на них силы реакции среды. Открытие и закрытие створок согласуется посредством шнура,

связывающего нижнюю часть каждой створки с верхней частью следующей створки таким образом, чтобы все створки закрывались и открывались в одном направлении.

Лопастной движитель по изобретению так же как известный аппарат воздушной станции, содержит лопасть с проемами, в которых установлены заслонки, способные открывать и закрывать проемы в ней, изменяя ее гидравлическое сопротивление.

Отличительными особенностями лопастного движителя являются: (а) различие в приводе лопасти с проёмами (у воздушной станции привод предназначен только для подъёма решётчатого каркаса вверх), у лопастного движителя привод служит для придания лопасти возвратно-поступательного (колебательного) движения, предпочтительно, перпендикулярно её плоскости;

(б) наличие у лопастного движителя привода створок;

(в) наличие у лопастного движителя блока управления, который согласовывает моменты открытия и закрытия проёмов лопасти заслонками с моментами перемещений лопасти в ту или другую сторону.

Недостаток известного аппарата состоит в жесткой зависимости гидравлического сопротивления от направления движения, в значительной инерции изменения

гидравлического сопротивления, в неспособности изменять гидравлическое

сопротивление независимо от направления движения, в невозможности перемещения аппарата в любом направлении.

ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для определенности терминам и выражения, используемым в настоящем тексте придают следующее значение и объем.

Заслонки (клапаны, створки) - активные управляемые элементы,

открывающие/закрывающие просветы на пути потока текучей среды.

Лопасть (решетчатый каркас, рамка, каркас) - несущая конструкция, снабженная проемами, имеющая небольшое сопротивление текучей среде (с большим проходным сечением проемов).

Привод (актюатор) - механизм, приводящий в движение активные элементы или лопасть.

Остальные термины и выражения используются в значении, которое известно специалистам в данной области. Задача настоящего изобретения состоит в создании лопастного движителя, в котором гидравлическое сопротивление лопасти может, управляемо изменяться в зависимости от направления ее движения.

Поставленная задача решена благодаря тому, что в процессе согласованных колебаний лопасти и работы заслонок возникают силы реакции среды, обеспечивающие ненулевой по величине вектор тяги движителя, а принудительное закрывание и открывание заслонок посредством приводов позволяет увеличить частоту колебаний лопасти и развиваемую движителем силу тяги. Возможность реверсировать вектор силы тяги за счет изменения момента открытия и закрытия проемов лопасти при ее

перемещении позволяет лопастному движителю выполнять функцию торможения.

Лопастной движитель способен вырабатывать силу тяги, располагаясь в любом

направлении пространства, даже в направлении действия силы тяжести.

Ключевыми признаками лопастного движителя (для краткости - «движителя»), согласно изобретению, являются:

(а) наличие лопасти, имеющей проемы для текучей среды;

(б) наличие управляемых заслонок, способных изменять величину проходного сечения упомянутых проемов;

(в) наличие привода упомянутой лопасти, принуждающего ее совершать периодические (в частности, возвратно-поступательные или колебательные) движения;

(г) наличие блока управления, который согласовывает работу упомянутых заслонок с работой упомянутого привода.

Движитель содержит корпус, лопасть с проемами и установленными в них заслонками, и привод, обеспечивающий периодическое движение, установленный между ними (корпусом и лопастью), в котором упомянутые заслонки открываются и

закрываются в зависимости от направления движения упомянутой лопасти относительно упомянутого корпуса. Корпус движителя служит для соединения его с объектом, приводимым в движение, и передачи ему силы тяги. Заслонки открывают и закрывают проемы лопасти посредством собственного привода или за счет своих физико-химических свойств. Работа заслонок может быть синхронизирована таким образом, чтобы открытие или закрытие всех проемов лопасти происходило одновременно. Когда заслонки открывают проемы лопасти, текучая среда может сравнительно беспрепятственно проходить сквозь нее (лопасть). При открытых проемах лопасть имеет малую площадь наибольшего поперечного сечения и при движении в среде испытывает незначительное сопротивление. Когда проемы лопасти закрыты, она оказывается непроницаемой для текучей среды. В этот момент лопасть имеет минимально возможную для своей конструкции площадь проходного сечения и при движении в среде испытывает наиболее сильное сопротивление. Таким образом, открывая и закрывая проемы лопасти, заслонки изменяют площадь проходного сечения и коэффициент ее (лопасти) лобового

сопротивления. Совершая движения в одном направлении, лопасть имеет максимально возможную, а при движении в обратном направлении, - минимально возможную площадь проходного сечения. Движитель снабжен блоком управления, при помощи которого осуществляется согласование работы заслонок с направлением движения лопасти. Таким образом, лопасть, совершая периодические (возвратно-поступательные или

колебательные) движения, испытывает действие сил реакции среды, различных по величине и направлению, равнодействующая которых, усредненная по времени, оказывается направленной в одном из двух направлений в зависимости от того как именно согласованы моменты срабатывания заслонок с направлением движения лопасти.

Движитель содержит управляемую, подвижную лопасть, в проемах которой расположены управляемые заслонки. Управляемые заслонки способны изменять величину проходного сечения проемов лопасти. Открывая и закрывая проемы лопасти, заслонки изменяют ее пропускную способность в пределах от полной непроницаемости, до почти беспрепятственного прохождения текучей среды сквозь нее. Открывая и закрывая проемы в лопасти, заслонки изменяют площадь наибольшего поперечного сечения и коэффициент лобового сопротивления движителя. Движитель имеет корпус, посредством которого, вырабатываемая лопастью сила тяги передается объекту, приводимому в движение.

В частной форме выполнения упомянутые заслонки лопасти могут быть снабжены линейными быстродействующими сервоприводами.

В одной частной форме выполнения упомянутые заслонки снабжены приводами, выполненными с возможностью преобразования вращательного движения в возвратно- поступательное.

В еще одной частной форме выполнения упомянутые заслонки могут приводиться в движение посредством кривошипно-шатунного механизма, кулачкового механизма, или вибрационного привода.

В другой частной форме выполнения упомянутые заслонки могут быть снабжены приводами на основе бесколлекторных электродвигателей.

В частной форме выполнения упомянутые заслонки могут быть снабжены приводами на основе углеродных нанотрубок.

В одной частной форме выполнения упомянутые заслонки могут быть снабжены приводами на основе биморфных пластин.

Движитель найдет широкое применение при производстве транспортных средств наземного, воздушного, водного, подводного и смешанного классов.

Сущность вышеописанного изобретения наглядно иллюстрируется фигурами чертежей 1-10 на примере конкретных форм воплощения. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 и 2 изображена лопасть 1 с заслонками 2 выполненными на основе биморфного привода.

На фиг.1 движитель изображен на этапе рабочего цикла, когда биморфные пластины 2 плотно прижаты к стенке лопасти 1.

На фиг.2 движитель изображен на этапе рабочего цикла, когда биморфные пластины 2 под воздействием электрического напряжения изгибаются, закрывая проемы в лопасти 1.

На фиг.З и 4 изображена лопасть 1, у которой заслонками служат пластины 3, выполненные с возможностью поворота в ее проемах.

На фиг.З движитель изображен на этапе рабочего цикла, когда пластины 3 не закрывают проемы лопасти 1.

На фиг.4 движитель изображен на этапе рабочего цикла, когда заслонки 3 закрывают проемы лопасти 1.

На фиг.5 и 6 изображена лопасть с заслонками, выполненными на основе углеродных нанотрубок 4.

На фиг.5 движитель изображен на этапе рабочего цикла, когда активный элемент 4 имеет минимальный размер и не закрывает проемы лопасти 1.

На фиг.6 движитель изображен на этапе рабочего цикла, когда заслонки на основе углеродных нанотрубок 4 имеют максимальную ширину и закрывают проемы лопасти 1.

На фиг.7 и 8 изображена одна из частных форм воплощения изобретения. Позицией 1 обозначен решетчатый каркас 1 , а позициями 4а и 4в обозначен его привод. Привод 4а и 4в выполнен на основе углеродных нанотрубок. Позицией 6 обозначен корпус движителя. Позицией 7 обозначен блок управления, с датчиком положения 8 лопасти, и датчиком положения 9 заслонок. Стрелками «А» и «В» показаны направления перемещения лопасти 1.

Фиг. 9 изображают движитель, когда проемы лопасти 1 открыты.

Фиг.10 изображают движитель, когда проемы лопасти 1 закрыты. Позицией 6 обозначен корпус движителя.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нижеследующие примеры даются только для иллюстрации общей концепции изобретения. Ничто в настоящем разделе описания не должно быть истолковано как ограничение объема притязаний.

В одной из частных форм воплощения движителя в качестве заслонок

используются пластины 5, как показано на фиг.7 и 8. Поворачиваясь, эти пластины открывают или закрывают (фиг.7 и 8, соответственно) проемы лопасти 1. В момент, когда пластины открывают проемы каркаса 1 (см. фиг.7), текучая среда может беспрепятственно проходить через него. В этот момент (см. фиг.9) каркас 1 имеет минимально возможную площадь проходного сечения. В момент (см. фиг.10), когда пластины 5 закрывают проемы каркаса 1, последний становится практически непроницаемым для текучей среды. В этот момент каркас 1 имеет максимально возможную для своей конструкции площадь проходного сечения.

Поворот пластин в решетчатом каркасе 1 осуществляется электродвигателями (не показаны). Приводом каркаса 1 , придающим ему колебательные движения, служат массивы углеродных нанотрубок, заключенных в эластичную оболочку 4а и 4в. Когда массивы 4а под воздействием управляющего напряжения приобретают свой

максимальный объем, а массивы 4в свой минимальный объем, тогда каркас 1 находится в крайнем нижнем положении (см. фиг.7). В этот момент блок управления 7 вырабатывает сигнал управления заслонками, заставляющий их открыть проемы лопасти 1. После того как проемы лопасти 1 окажутся открытыми блок управления 7 подает управляющие сигналы на привод лопасти 1 и тогда элементы привода 4в увеличиваются в объеме, а элементы 4а - уменьшаются. Вследствие этого, лопасть 1 перемещается в направлении, указанном стрелкой «А», пока не достигнет своего крайнего верхнего (по схеме) положения. В процессе перемещения лопасти в направлении «А» ее проемы оказываются открытыми, и текучая среда практически беспрепятственно проходит сквозь нее. В этот момент лопасть 1 имеет малую площадь проходного сечения и при движении в среде испытывает незначительное сопротивление. Когда лопасть 1 (см. фиг.8) достигнет своего крайнего верхнего (по схеме) положения, тогда блок управления 7 начинает вырабатывать управляющие сигналы для заслонок 5, заставляя их закрыть проемы лопасти 1. После того как, заслонки закроют проемы, блок управления начинает вырабатывать управляющие сигналы для привода лопасти 1. В этом случае элементы привода 4а увеличиваются в объеме, а элементы 4в - уменьшаются, заставляя лопасть 1 перемещаться в направлении указанном стрелкой «В». Когда заслонки 5 закрывают проемы лопасти, она становится практически непроницаемой для текучей среды. В этот момент лопасть 1 имеет максимально возможную для своей конструкции площадь проходного сечения и при движении в текучей среде испытывает сильное сопротивление. Таким образом, открывая и закрывая проемы лопасти 1 , заслонки изменяют площадь проходного сечения и коэффициент ее (лопасти) лобового сопротивления. Совершая движения в одном направлении, лопасть 1 имеет максимально возможное, а при движении в обратном направлении, - минимально возможное проходное сечение. Совершая возвратно- поступательные (колебательные) движения лопасть 1 испытывает действие сил реакции текучей среды, различных по величине и направлению. Усредненная по времени равнодействующая сил, действующих на лопасть 1 , оказывается направленной только в одну сторону, что и приводит к возникновению направленной силы тяги. Посредством привода лопасти сила тяги через корпус 6 передается объекту, приводимому в движение. При построении движителей на основе вышеописанной лопасти, для повышения эффективности работы и уменьшения массы корпуса движителя, целесообразно использовать четное количество лопастей, когда одна половина лопастей перемещается в одном направлении, а другая - в противоположном. Две одинаковых по массе групп лопастей, в противофазе колеблющихся относительно центра масс, поочередно

вырабатывают движущую силу и через общий корпус передают ее объекту, приводимому в движение.

В качестве заслонок, закрывающих и открывающих проемы лопасти, а также, в качестве приводов лопасти, обуславливающих ее периодическое движение, могут служить биморфные пластины. Широкое применение в промышленности нашли биморфные пластины из пьезокерамики. Биморф состоит их двух тонких склеенных между собой пьезокерамических пластин с прокладкой между ними или без нее. Чаще всего толщина пластин составляет 0,3-Ю,5 мм, длина 4-^-60 мм, однако возможно изготовление биморфа любой геометрии. Пьезокерамические биморфные пластины обеспечивают перемещение до 5 мм и способны развивать усилие до 5Н.

В настоящее время ведутся разработки по изготовлению биморфных пластин на основе макроволокон из нанотрубок с вакуумным отжигом. Указанные биморфные пластины превзошли свойства биморфных пластин на основе bucky-бумаги, которые развивали усилия в 0,75 МПа при смещении конца пластины в несколько миллиметров. Также в качестве заслонок и приводов решетчатого каркаса может служить новый материал, построенный из пучков углеродных нанотрубок. Если приложить электрическое напряжение к такому материалу оно создает одноименный заряд на нанотрубках, заставляя их взаимно отталкиваться. Материал обратимо расширяется, увеличиваясь в размерах втрое, и способен расширяться и сокращаться с частотой 1 кГц. Также, в качестве заслонок могут выступать пластины из легких и прочных материалов. Поворот пластин в проемах каркаса 1 могут обеспечивать электродвигатели или наномускулы. Широкое распространение в моделировании техники получили бесколлекторные электродвигатели фирмы Xcelorin. Двигатели Xcelorin способны развивать обороты до 10250 об/Вольт. Наномускул от NanoMuscle изменял длину на 12-43% с усилием в 4000 раз большим, чем человеческие мышцы и со скоростью 0,1 секунды.

При производстве лопастного движителя и таких его частей, как корпус, лопасть, заслонки, целесообразно использовать легкие и прочные материалы, такие как:

алюминиевые сплавы, стеклопластики, композитные наноматериалы и т.п. В данном случае, для изготовления заслонок можно использовать титан. В качестве привода решетчатого каркаса 1 , для придания ему возвратно поступательных (колебательных) движений, можно использовать линейные быстродействующие сервоприводы,

кривошипно-шатунный механизм, кулачковый привод, вибрационный привод, и другие механизмы, подходящие для преобразования вращательного движения в возвратно- поступательное. Также, в качестве привода решетчатого каркаса 1 , можно применять пьезоактюаторы, которые способны развивать усилие до сотен тысяч Ньютонов, осуществлять перемещение от микронов до миллиметров с частотой до тысяч Герц.

Должно быть понятно, что средний специалист может использовать отличительные особенности настоящего изобретения и внести эквивалентные замены с достижением поставленной технической задачи; такие замены включены в объем охраны согласно нижеприведенной формуле изобретения.