Область техники.

Изобретение относится к механике, к двигателям, более конкретно, к реактивным двигателям без газовых турбин, и может быть использовано в конструкции движителей для транспортных средств, передвигающихся в воздухе, воде и других текучих средах.

Изобретение может найти применение в авиации, водном транспорте.

Предшествующий уровень техники.

Известны двухконтурные реактивные двигатели (ТРДД), у которых тяга создаётся в двух контурах: газотурбинном и вентиляторном (втором) контуре. При отсутствии во втором контуре форсажной камеры, создание тяги в нём включает : засасывание воздуха из окружающей среды во входном устройстве, сжатие его вентилятором (или компрессором) , прокачивание через воздушный тракт кольцевого сечения второго контура и реализацию тяги путём расширения потока в выходном сопле. (См. А.Л. лячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей. »Машиностроение», М., 1969г., стр. 17-19).

Вентиляторный контур обычно содержит входное устройство (иногда -общее с газотурбинным контуром) , компрессор (вентилятор) и выхлопное сопло. Вентиляторный контур содержит также один или несколько венцов спрямляющих лопаток, расположенных за вентилятором и предназначенных для выпрямления закрученного на вентиляторе потока. (См. В.А.Шульгин. Двухконтурные ТРД малошумных самолётов. , стр.150.).

Такой способ является дополнительным к турбореактивному способу создания тяги , но мог бы использоваться и в качестве самостоятельного. Однако, в существующем виде способ характеризуется недостаточной эффективностью, поскольку он использует только наружную кольцевую площадь миделя двигателя, в то время как внутренняя площадь кольца занята конструкцией двигателя, и при этом не используется энергия окружающей среды. Известен способ создания реактивной тяги, реализованный в «Эжекторном увеличителе реактивной тяги» по авторскому свидетельству СССР JNe 1676310, МПК F02 К 1/36, 1995г., и предназначенный для использования на водном транспорте. Способ включает подачу рабочего тела в камеру смешения , выполненную в виде диффузора, по его переферии, а в центральную часть камеры смешения через её вход поступает окружающая среда (вода), которая эжектируется рабочим телом . Способ отличается тем, что часть рабочего тела поступает в вихревую камеру, выполненную в виде пустотелого тора , установленную перпендикулярно оси двигателя на входе в диффузор. В торе рабочее тело создаёт торообразный вихрь с вектором циркуляции, направленным по оси тора и расположенным в плоскости перпендикулярной оси двигателя. Торообразный вихрь через прорезь на внутренней поверхности вихревой камеры взаимодействует с окружающей средой, увлекая её и создавая дополнительную подачу воды на вход камеры смешения, и увеличивая тягу движителя.

Недостатком способа является то, что вихревая камера создаёт значительное гидродинамическое сопротивление самого двигателя, что снижает его эффективность.

Известен авиационный газотурбинный двигатель ^ в котором внутри полого ротора выполнен воздушно- реактивный прямоточный двигатель. Двигатель помимо тяги развиваемой ГТД реализует способ получения дополнительной тяги, заключающийся в том, что в двигателе выполнен цилиндрический пустотелый канал, через который при движении транспортного средства прокачивается окружающий воздух и при достижении определённой сверхзвуковой скорости, подаче и сгорании топлива создаётся дополнительная тяга. (См. патент РФ .Nb2162957, F 02 К 7/16? 2001г.)

Недостатком такого способа является его низкая экономичность из-за больших расходов топлива.

Таким образом, существующие способы получения реактивной тяги характеризуются большими затратами на топливо и не используют энергию окружающей среды.

Раскрытие изобретения.

Задачей изобретения является разработка такого способа создания тяги, который позволил бы увеличить транспортную эффективность транспортных средств, снизить энергопотребление.

Согласно изобретению поставленная задача достигается тем, что в способе создания тяги для транспортного средства, предназначенного для передвижения в текучей среде, включающем прокачивание текучей среды через кругового сечения пустотелый тракт движителя, содержащий входное и выходное устройство, сообщение ей дополнительной энергии и реализацию тяги в выходном устройстве, в прокачиваемой текучей среде в пустотелом тракте движителя создают вихрь с вектором циркуляции, направленным вдоль потока по оси движителя, стабилизируют полученный вихрь, после чего вихревой поток текучей среды, направляют в выходное устройство, где осуществляют выпрямление и ускорение потока. При этом целесообразно создание вихря производить во входном устройстве движителя выполненным с диффузором, сопряжённым с пустотелым трактом движителя, а прокачивание текучей среды и создание вихря осуществлять вращением кольцевого лопаточного колеса, содержащего лопатки по переферии и свободное пространство в центральной своей части.

Кроме того, возможно создание вихря путём вдува в тракт двигателя по его переферии высокоэнергетичных струй , например, текучей среды, направленных под углом 12 - 60° к оси тракта движителя при виде на поверхность движителя в области каждой струи, или отклонением вектора скорости текучей среды по переферии тракта движителя с помощью неподвижных радиальных направляющих лопаток, установленных по переферии потока под углом к оси тракта движителя, а прокачивание текучей среды осуществляют за счёт дополнительного движителя транспортного средства.

Более того, прокачивание текучей среды и создание вихря осуществляют вращением кольцевого конусного лопаточного колеса, содержащего лопатки по переферии и свободное пространство в центральной своей части, а выпрямление потока производят с помощью радиальных спрямляющих стенок , установленных на поверхности тракта движителя по окружности.

Такое выполнение способа позволяет повысить его эффективность. Краткое описание фигур на чертежах.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

Фиг.1 - показывает принципиальную схему движителя с кольцевым цилиндрическим лопаточным колесом ( продольный разрез), выполненного в соответствии с изобретением;

Фиг.2 - показывает принципиальную схему движителя с кольцевым конусным лопаточным колесом и диффузором ( продольный разрез), выполненного в соответствии с изобретением;

Фиг.З - показывает принципиальную схему движителя с закручивающим устройством, выполненным в виде неподвижных направляющих лопаток ( продольный разрез), выполненную в соответствии с изобретением;

Фиг.4 - показывает принципиальную схему движителя с вдувом высокоэнергетичных струй ( продольный разрез), выполненную в соответствии с изобретением.

Варианты осуществления изобретения.

В соответствии с изобретением способ создания тяги для транспортного средства, предназначенного для передвижения в текучей среде, включает:

- прокачивание текучей среды через кругового сечения пустотелый в области оси тракт движителя;

- создание в прокачиваемой текучей среде вихря с вектором циркуляции, направленным вдоль оси движителя, преобразующего входной поток в вихревой;

стабилизацию вихря до получения устойчивой вихревой структуры потока текучей среды;

- сообщение текучей среде дополнительной энергии ;

- выпрямление закрученного потока;

реализацию тяги в выходном устройстве.

Прокачивание текучей среды осуществляют через движитель , выполненный с круговым протяжённым пустотелым трактом, состоящим из входного устройства, вихревой камеры и выходного устройства. Тракт как правило, выполнен с круговой внутренней поверхностью и снабжён в передней своей части заборником , выполненным в виде конфузора . Прокачивание может быть осуществлено с помощью собственного двигателя, приводимого за счёт сжигаемого топлива, или за счёт набегающего потока создаваемого при перемещении транспортного средства, снабжённого маршевыми двигателями. Вихрь создают с вектором циркуляции, направленным вдоль оси движителя. Вихрь создают во входном устройстве. Создание вихря может быть осуществлено различными известными способами: закруткой потока за счёт отклонения вектора скорости текучей среды с помощью различных направляющих аппаратов типа лопаток, вращающимся лопаточным колесом, винтом, наличием во входном устройстве канавок, рёбер и т.п., инициирующих возникновение свободного вихря, путём вдува высокоэнергетичных струй текучей среды, топлива, продуктов сгорания либо других жидкостей или газов.

Целесообразно создавать вихрь во входном устройстве движителя выполненным с диффузором, сопряжённым с пустотелым трактом движителя.

Целесообразно прокачивание текучей среды и создание вихря ос ществлять вращением кольцевого лопаточного колеса, содержащего лопатки по переферии и открытое пространство в центральной своей части. При этом, вращение кольцевого лопаточного колеса производят с помощью привода от вспомогательного двигателя.

Возможно создание вихря производить закруткой потока с помощью направляющих лопаток, установленных по переферии тракта движителя под углом к оси тракта равным 5 - 45°. При этом происходит отклонение вектора скорости потока на угол установки лопаток, приводящее за счёт вязкости к вращению потока по всему сечению. Большие углы установки лопаток выбирают для меньшей скорости потока, а меньшие - при высоких скоростях. Кроме того, при увеличении угла установки направляющих лопаток более 45° резко увеличиваются потери из-за увеличения сопротивления.

В этом случае прокачивание текучей среды через тракт движителя осуществляют за счёт дополнительного движителя, например маршевых двигателей транспортного средства.

Вдув высокоэнергетичных струй текучей среды целесообразно производить струями, направленными под углом 12 -ь 60° к оси тракта двигателя при виде на поверхность движителя в области каждой струи. При этом, большие углы выбираются для получения наибольшего разрежения на оси тракта двигателя и при малых скоростях потока, а меньшие - при высоких скоростях. Увеличение углов наклона струй свыше 60° увеличивает потерю импульса струй и приводит к увеличению потерь потока от увеличения сопротивления. Наклон струй в диаметральной плоскости, роходящей через ось струи выбирают близким к касательной к окружности тракта в месте впрыска струи из условия минимальных потерь от сопротивления струям и получения максимальной закрутки потока. В этом случае и прокачивание производится за счёт энергии струй.

Вихрь создают во входном устройстве движителя , составляющего часть пустотелого тракта движителя. При этом, наибольший эффект способа достигается при фактическом отсутствии каких-либо агрегатов или деталей в тракте движителя. Однако, термин пустотелый не означает полного отсутствия каких либо деталей. Т.е. в тракте двигателя в потоке могут находиться некоторые элементы движителя (например, спицы, тонкие валы и т.п.), но они не должны создавать значительного загромождения тракта движителя, приводящему к снижению эффективности способа.

При работе движителя на переферии вихревого потока создаётся вихревое кольцо, имеющее высокие окружную и поступательную скорости, в то время как на оси тракта движителя и во внутреннем пространстве кольца возникает разрежение . Поступательное движение вихревого кольца создаёт эжектирующий эффект для окружающей среды. В сою очередь наличие разрежения в осевой области приводит к увеличению расхода через движитель из-за повышенного давления окружающей среды на входе в движитель. И если эжектирующий эффект от поступательной скорости снижается с увеличением скорости передвижения транспортного средства, то разрежение в осевой области от этого растёт, что обеспечивает повышение эффективности заявляемого способа.

Целесообразно вихрь создавать во входном устройстве движителя выполненным с диффузором, сопряжённым с пустотелым трактом движителя. Диффузор выполняют с углом раствора 5 - 20 ^° , связанным входным сечением с конфузором или входной губой входного устройства, а выходным - с цилиндрическим трактом движителя. Созданный таким образом вихрь преобразует входной поток текучей среды в вихревой.

Созданный вихрь стабилизируют до получения устойчивой вихревой структуры потока текучей среды. Стабилизацию осуществляют в вихревой камере, примыкающей к входному устройству. Для этого камера должна иметь достаточную длину, равную 1,5 -3 диаметра.

Полученный стабилизированный вихревой поток, выпрямляют с помощью выпрямляющих устройств. Выпрямление потока может быть выполнено с помощью спрямляющих лопаток. Однако известные спрямляющие лопатки на существующих двигателях загромождают тракт движителя. Поэтому целесообразно выполнять выпрямление потока с помощью радиальных спрямляющих стенок , установленных на поверхности тракта движителя по его окружности в области выходного устройства. Спрямляющие стенки могут иметь криволинейную поверхность вдоль тракта, однако предпочтительно использование плоских поверхностей. Такие стенки не загромождают тракт и имеют низкое сопротивление.

Выпрямленный поток дополнительно ускоряется в сужающемся сопле, обеспечивающем максимальное использование его энергии

Способ может быть осуществлён различными устройствами. Примеры реализации приведены ниже.

1. Реализация способа с применением кольцевого цилиндрического лопаточного колеса приведена на Фиг.1.

Воздушный движитель 1 включает цилиндрический корпус 2, несущий в передней своей части входное устройство 3, выполненное в виде конфузора, и выходное устройство 5, выполненное в виде сужающегося сопла. Среднюю часть корпуса 2 занимает вихревая камера 4. Входное устройство 3, вихревая камера 4 и выходное устройство 5 составляют воздушный тракт движителя. Во входном устройстве установлено кольцевое цилиндрическое лопаточное колесо 6. Колесо 6 выполнено из связанных между собой внутреннего кольца 7, наружного кольца 8 и лопаток 9,

установленных в кольцевом пространстве между кольцами 7 и 8 . При этом колесо 6 выполнено пустотелым , т.е. со свободным пространством в центральной своей части.

Наружное кольцо 8 в передней своей части снабжено входным конфузором 10, а на задней кромке выполнено с посадочным местом 14 для установки в подшипниковом узле корпуса 2 и приводной поверхностью 15 , взаимодействующей с приводным устройством 13 двигателя 12. Приводное устройство 13 может быть выполнено любым известным способом, например, в виде шкива с ремнём, взаимодействующим с приводной поверхностью 15, выполненной также в виде шкива.

Движитель работает следующим образом.

При включении двигателя 12 кольцевое цилиндрическое лопаточное колесо 6 вращается и с помощью лопаток 9 засасывает окружающий воздух 16 , закручивает , ускоряет и выбрасывает его в вихревую камеру 4 в виде кольцевого потока 17. Кольцевой поток 17 создаёт вихрь 18, который проходя по вихревой камере стабилизируется, и превращает поток в пустотелом тракте движителя в вихревой . В выходном устройстве вихревой поток выпрямляется с помощью радиальных спрямляющих стенок 11 , установленных на поверхности тракта движителя по его окружности. Выпрямленный в основной своей массе поток ускоряется в сопле, создавая тягу.

2. Реализация способа с применением кольцевого конусного лопаточного колеса приведена на Фиг.2.

Воздушный движитель 32 включает корпус 20, несущий в передней своей части входное устройство 21, выполненное в виде конфузора, и выходное устройство 23^ выполненное в виде сужающегося сопла. Среднюю часть корпуса 20 занимает вихревая камера 22. Входное устройство 21, вихревая камера 22 и выходное устройство

23 составляют воздушный тракт движителя. Во входном устройстве установлено кольцевое конусное лопаточное колесо 24. Колесо 24 выполнено из связанных между собой внутреннего кольца 25, наружного кольца 28 и лопаток 27, установленных в кольцевом пространстве между кольцами 25 и 28, конусными. При этом колесо 24 выполнено пустотелым , т.е. со свободным пространством в центральной своей части. Кроме того, лопаточное колесо

24 выполнено конусным, т.е. внутренняя поверхность наружного кольца 25, обращенная внутрь лопаточного канала, выполнена в виде усечённого конуса, обращенного большим основанием по потоку, в сторону вихревой камеры.

Вихревая камера 22 выполнена в передней части в виде диффузора, а поверхность диффузора выполнена в передней своей части совпадающей с внутренней (конусной) поверхностью наружного кольца 25. Задняя часть вихревой камеры выполнена цилиндрической и состыкована с соплом. Наружное кольцо 25 в передней своей части снабжено входным конфузором 28, а на задней кромке выполнено с посадочным местом для установки в подшипниковом узле корпуса 20 и приводной поверхностью, взаимодействующей с приводным устройством 31 двигателя 30.

Движитель 32 работает аналогично движителю 1. При этом, выполнение лопаточного колеса конусным позволяет уменьшить потери на входе в лопаточное колесо. Наличие конусности в передней части вихревой камеры позволяет более полно использовать энергию закрученного потока.

3. Движитель с закручивающим устройством, выполненным в виде неподвижных направляющих лопаток.

Движитель 33 (см. Фиг. 3) содержит корпус 34, включающий входное устройство 35, выполненное в виде конфузора, диффузор 36, вихревую камеру 37 и выходное устройство 38. Диффузор 36 снабжён направляющими лопатками 39^ установленными по всей окружности выходного сечения перпендикул рно к поверхности и под углом 40 к оси движителя. При этом, угол установки лопатки к оси движителя (при виде на поверхность диффузора ) может быть выполнен равным 5 - 45° .

При работе движителя поступающий воздушный поток 42 проходит направляющие лопатки 39. Направляющие лопатки отклоняют воздушный поток на поверхности диффузора в одном , заданном направлении 43, что приводит к возникновению вихря 44. Вращающийся слой воздуха захватывает внутренний воздух, превращая поток входящего воздуха в вихревой, создающий разрежение на входе в движитель. Разрежение приводит к дополнительному притоку окружающей среды за счёт её энергии, т.е. к увеличению расхода и получению дополнительной тяги. Вихревой поток стабилизируется в вихревой камере 37, а затем выпрямляется и ускоряется в выходном устройстве.

4. Движитель со вдувом высокоэнергетических струй. Движитель 46 (См. Фиг. 4 ) содержит корпус 47, включающий входное устройство 47, выполненное в виде конфузора, диффузор 49, вихревую камеру 50 и выходное устройство 51. Движитель снабжён устройством для подачи текучей среды с высокой скоростью и под большим давлением. Устройство выполнено в виде коллектора 53 , снабжённого выпускными соплами 54, выпускные окна которых выполнены на поверхности диффузора в задней его части. Коллектор 53 связан трубопроводом с источником сжатой текучей среды (на черт, не показано), снабжённым устройством регулирования подачи. Выпускные сопла выполнены таким образом, что ось каждого сопла составляет угол 55 (при виде на поверхность тракта движителя.). Угол 55 может для различных движителей быть равным 10 - 60°. В диаметральнойплоскости угол наклона 56 выпускных сопел может составлять -5 - +10° с осью движителя ( на черт, линия 57- параллельная оси).

При работе движителя вдув высокоэнергетических струй окружающей среды (или другой текучей среды) эжектирует текучую среду извне и создаёт прокачку текучей среды через тракт движителя. При этом каждая струя действует как отдельный эжектор, увлекая окружающую среду (при работе на месте) или ускоряя поток при движении транспортного средства. Все вместе вдуваемые по окружности тракта движителя струи 58 ускоряют и закручивают входной поток 59, создавая тем самым вихрь. Вихрь стабилизируют в вихревой камере 50. Вихревой поток выпрямляется и ускоряется в выходном устройстве на радиальных спрямляющих стенках 52 и в сопле 51, создавая тягу.

Промышленная применимость

Представленный способ создания тяги для транспортного средства, предназначенного для передвижения в текучей среде, позволяет создать более эффективные движители для различных транспортных средств: водного транспорта, судов на воздушной подушке, авиации. Движители могут приводиться различными двигателями: электрическими, двигателями внутреннего сгорания, газотурбинными, газогенераторами. Движители просты по конструкции, имеют малую массу. За счёт использования всей площади поперечного сечения тракта и более эффективного использования энергии окружающей среды движители позволяют снизить топливные затраты, повысить эффективность транспорта. При этом, если в эжекторных увеличителях тяги при увеличение скорости передвижения происходит снижение и исчезновение эффекта, то в предложенном способе его эффективность с ростом скорости повышается..

Движители могут быть выполнены из металла или , что предпочтительнее, из полимерных композиционных материалов по существующим технологиям.