РЕАКТИВНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК B63H1/36 

Изобретение относится к устройствам для создания реактивной тяги и может найти применение как движитель на судах, летательных аппаратах, наземном транспорте и др.

Известен водометный движитель, содержащий пластину, размещенную в камере прямоугольного сечения, открытой с торцов. Пластина в первой трети связана с тягой. К пластине шарнирно прикреплен закрылок. Кроме того, имеется специальный механизм реверсивного хода, снабженный подпружиненными защелками, установленными на боковых стенках камеры со стороны носовой и кормовой кромок пластины и поочередно взаимодействующими с носовой и кормовой кромками пластины (SU, 1466986 A, 23.03.89, B 63 H 1/02, 1/36). Этот движитель имеет невысокие эксплуатационные характеристики ввиду неопределенности режима работы движителя на начальном этапе работы, когда пластина поворачивается за счет сил инерции и гидродинамических сил, которые в значительной мере зависят от скорости набегающего потока. Пассивная роль закрылка сужает частотный диапазон работы и исключает использование движителя в газовой среде. Кроме того, реверс достигается только при значительном усложнении конструкции.

Известен также водометный движитель типа "вытесняющая стенка", содержащий установленную в трубе жесткую пластину, прикрепленную обоими концами к штокам, совершающим возвратно-поступательные перемещения (С.В. Куликов, М.Ф. Храмкин "Водометные движители", Л. , Судостроение, 1980 г., стр. 57, рис. 1.52). К его недостаткам можно отнести усложненную кинематику, что вызвано необходимостью постоянной работы обоими штоками, а также ограниченность в выборе конструктивных решений размещения движителя. Последнее связано с тем, что для возможности перемещения концов пластины по всей ширине трубы штоки должны размещаться строго по ее краям в плоскостях входного и выходного отверстий.

В качестве ближайшего аналога принят лишенный этих недостатков реактивный движитель, содержащий прикрепленную к корпусу транспортного средства камеру прямоугольного сечения с открытыми торцами и расположенную в ней пластину, один конец которой шарнирно присоединен к тяге с возможностью качания в камере в плоскости, ортогональной пластине, и полного прилегания к противоположным пластинам камеры, а другой конец пластины вне камеры и сама камера шарнирно присоединены к корпусу, либо к несущей поверхности транспортного средства с возможностью передачи камере качательных движений. Камера движителя может быть разбита на несколько камер меньшей высоты, в каждой из которых находится пластина, соединенная с тягой (RU, 2122505 A, 27.11.98, B 63 H 1/36).

Указанный движитель имеет повышенные эксплуатационные характеристики, на нем легко осуществляется реверс, однако и ему, как и другим пластинчатым движителям, присущ следующий недостаток. При перемещении жесткой пластины поперек потока на ее краях образуется вихревая закрутка потока. Наличие вихря или системы вихрей резко изменяет характер потока, вызывает нестационарность обтекания, срыв потока, что снижает КПД движителя из-за уменьшения массы отбрасываемой им рабочей среды (воды, воздуха и др.), приводит к повышению вибрации движителя и его шумности. Согласно Шлихтингу ("Теория пограничного слоя", М., Наука, 1969 г., стр.49, рис. 2.17) при нахождении крыла в потоке с углом атаки более 15^o обязательно происходит отрыв потока. Между оторвавшимся течением и поверхностью крыла образуется застойная область, заполненная вихрями, в результате чего резко возрастает лобовое сопротивление. Для пластины, которая в отличие от крыла не имеет обтекаемой формы, неблагоприятное воздействие срыва потока будет проявляться в еще большей мере.

Предложенное изобретение предназначено для решения задачи повышения КПД, снижения вибрации и шумов гидродинамической природы реактивного движителя путем уменьшения вихреобразования и улучшения характера обтекания его рабочего органа (колеблющейся пластины).

Технический результат достигается за счет того, что в реактивном движителе, содержащем одну или несколько прилегающих друг к другу камер прямоугольного сечения с открытыми торцами, в каждой из которых расположена пластина, один конец которой шарнирно присоединен к тяге с возможностью качания в камере в плоскости, ортогональной пластине, и полного прилегания к противоположным поверхностям камеры, а другой конец пластины вне камеры и сама камера шарнирно присоединены к корпусу или к несущей поверхности транспортного средства с возможностью передачи камере качательных движений, в передней части каждой пластины с обеих ее сторон по всей ее ширине закреплены своими передними частями с возможностью свободного поворота гибкие упругие ленты, имеющие заостренную заднюю кромку.

Гибкие упругие ленты закреплены преимущественно на расстоянии (0-20%) длины пластины от ее передней кромки и выполнены шириной, равной (10-20)% длины пластины.

Для возможности плотного прилегания пластины с лентами к поверхности камеры при закреплении ленты она утапливается в теле пластины и внешняя поверхность ленты выполнена заподлицо с поверхностью пластины. Возможно также выполнение горизонтальных поверхностей каждой камеры по форме взаимодействующей с ней гибкой упругой ленты.

Для снижения вихреобразования и при реверсе в хвостовой части каждой пластины может устанавливаться дополнительно пара гибких лент.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
- на фиг. 1 - схематический чертеж реактивного движителя;
- на фиг. 2 - схема перемещений реактивного движителя;
- на фиг. 3 - схематический чертеж многокамерного реактивного движителя;
- на фиг. 4 - возможные схемы крепления лент на пластине;
- на фиг. 5 - характер обтекания пластины потоком с эластичными лентами и без них.

Реактивный движитель (фиг. 1, 3) состоит из одной или нескольких камер 1 прямоугольного сечения с открытыми торцами. Внутри каждой камеры расположена пластина 2, которая имеет возможность перемещаться в камере с малыми зазорами в плоскости, ортогональной пластине и с полным прилеганием попеременно к верхней и нижней поверхностям соответствующей камеры. Камера посредством шарнира 3 прикреплена к корпусу или к несущей плоскости (например, крылу) транспортного средства. Один из концов пластины также шарнирно прикреплен к корпусу или несущей плоскости транспортного средства с возможностью качания в одной плоскости с камерой, а второй конец пластины шарнирно соединен с тягой 4 с возможностью передачи качательных движений камере и перемещения в камере с малыми зазорами. Оси всех шарнирных соединений ортогональны продольной оси симметрии камеры.

В начальном состоянии (фиг. 2, положение I) пластина плоско прилегает к верхней поверхности камеры. При перемещении пластины до упора в нижнюю поверхность камеры (положение II) из камеры вытесняется около половины содержащегося в ней объема среды (газ, жидкость). При дальнейшем перемещении пластины в положение III, сопровождаемом поворотом камеры вокруг оси ее шарнирного крепления, пластина плоско прилегает к нижней поверхности камеры. При этом из камеры вытесняется оставшаяся часть среды объема камеры. Начало второго полуцикла характеризуется сменой направления воздействия силы перемещения движителя. Третья четверть цикла завершается, когда конец пластины дойдет до верхнего края камеры, вытеснив при этом среду в половине объема камеры (положение IV). В дальнейшем пластина, воздействуя на верхний край камеры, поворачивает ее и приводит в начальное положение - V. За время этого перемещения из камеры вытеснится еще половина объема. Таким образом, за время одного цикла качания движителя из него вытесняется два объема среды, которые при работе устройства непрерывно перемещаются через камеру в направлении, противоположном направлению движения транспортного средства.

Движитель из нескольких камер (фиг. 3) имеет параллельные перегородки 5 между соседними ячейками - камерами. В каждой камере расположена пластина 2. Одновременные концы пластин шарнирно соединены между собой с одинаковым расстоянием между пластинами.

Принцип действия многокамерного движителя такой же, как и описанный выше у движителя с одной камерой и пластиной. Одно- и многокамерное выполнение движителя рассматривается как альтернативное по достигаемому поставленному в данной заявке техническому результату, поскольку увеличение площади рабочего органа движителя (пластин) приводит к соответствующему уменьшению амплитуды его перемещений и получению таким образом практически одинаковой тяги. Выбор одно- или многокамерной схемы движителя может диктоваться общепроектными соображениями, например допустимой величиной перемещения тяги 4.

Как указывалось выше, перемещение пластины поперек потока связано с образованием на ее засасывающей поверхности системы вихрей (фиг. 5а), ликвидация которой может привести к резкому повышению КПД движителя. Существуют различные способы снижения вихреобразования, однако они (например, специальная профилировка) либо неприемлемы для рабочего органа движителя в виде пластины, либо чрезмерно сложны, например, управление пограничным слоем путем его щелевого отсоса, вдува жидкости или газа и др. Известно также выполнение концевых кромок рабочих органов движителей, например, лопастей гребных винтов или плавников, из упругого материала. Однако такое выполнение рабочего органа обычно преследует цель обеспечить получение вектора тяги нужного направления или воздействовать на поток в хвостовой части рабочего органа или за его пределами.

Данное изобретение предусматривает активное воздействие на характер обтекания тела в месте зарождения вихря или системы вихрей для снижения интенсивности вихреобразования или его исключения. Для этого в носовой части пластины движителя (фиг. 4) в месте зарождения вихря, непосредственно на передней кромке пластины или на расстоянии до 20% ее длины от носовой кромки закреплены своими передними частями с возможностью свободного поворота гибкие упругие ленты 6 с плавно заостренной задней кромкой, ширина которых равна 10-20% длины пластины.

Упругость ленты для достижения технического результата является существенным признаком, поскольку нахождение в потоке гибкого тела, не обладающего упругостью, не только не приводит к стабилизации течения и снижению гидродинамического сопротивления, но даже резко увеличивает последнее ("Гидробионика в судостроении", изд. ЦНИИТЭИС, 1970 г., стр. 98).

Конкретное место закрепления лент и их ширина определяются экспериментально с учетом характера вихреобразования, преимущественно на расчетном режиме работы движителя, которое зависит от частоты и амплитуды колебания пластины и др. факторов.

Закрепление лент может также быть различным: на оси 7 (фиг. 4 a, b) с возможностью свободного поворота или с жестким закреплением 8 передней кромки ленты (фиг. 4 c) и с возможностью свободного поворота (изгиба) незакрепленной части ленты. Свободный поворот ленты необходим по следующим причинам. При возникновении на засасывающей поверхности 9 пластины (фиг. 5 b) вихря вызванные в потоке перепады давлений приводят к отходу ленты 6 от пластины, ее установке по линиям тока, что в свою очередь приводит к демпфированию вихревых флуктуаций и к безотрывному обтеканию пластины.

Крепление лент и их число должно выбираться с учетом реверса. Для транспортных средств, на которых режим реверса не используется, либо является эпизодическим (например, для судов на подводных крыльях) достаточно обеспечить при реверсе возможность изгиба ленты в противоположном основному положению направлении, даже без обеспечения плотного контакта пластины с поверхностями камеры. Это упрощает конструкцию движителя, хотя и снижает его эффективность на заднем ходу, что может быть допустимым на кратковременных режимах движения, особенно с малыми скоростями хода. Для транспортных средств, для которых режим работы на заднем ходу, при реверсе движителя, относится к основным режимам (например, для буксирных судов) необходимо сохранить высокий КПД движителя. Для этого необходимо, чтобы при перекидке ленты она не мешала плотному прилеганию пластины к камере. Кроме того, в хвостовой части пластины может быть установлена вторая пара лент, которая обеспечивает безотрывность обтекания пластины при реверсе. Плотность прилегания пластины с лентами к поверхностям камеры обеспечивается за счет установки лент заподлицо с поверхностью пластины, либо путем выполнения в теле горизонтальных связей камеры углублений, соответствующих выступам ленты над поверхностью пластины.

Таким образом, использование предложенного движителя дает возможность сохранить высокие эксплуатационные качества известного движителя по патенту РФ N 2122506 и при этом значительно повысить его гидродинамическую эффективность, экономичность и улучшить виброакустические характеристики, что обеспечивает возможность его широкого использования в различных областях техники.

Изобретение относится к устройствам для создания реактивной тяги транспортных средств различного назначения. В реактивном движителе в виде одной или нескольких камер с расположенными в них пластинами, совершающими колебательные движения, на пластинах установлены с возможностью свободного поворота гибкие упругие ленты с заостренной задней кромкой. Эти ленты преимущественно закреплены на расстоянии до 20% длины пластины от ее передней кромки, а их ширина может составлять 10-20% длины пластины. Внешняя поверхность ленты может быть выполнена заподлицо с поверхностью пластины, либо по форме упругой ленты выполняют взаимодействующую с ней часть горизонтальной поверхности камеры. Для работы при реверсе в хвостовых частях пластин может дополнительно устанавливаться пара гибких лент. Использование изобретения снижает вихреобразование на движущихся поперек потока пластинах, что приводит к повышению КПД и снижению шумности и вибрации движителя. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Реактивный движитель, содержащий одну или несколько прилегающих друг к другу камер прямоугольного сечения с открытыми торцами, в каждой из которых расположена пластина, один конец которой шарнирно присоединен к тяге с возможностью качания в камере в плоскости, ортогональной пластине, и полного прилегания к противоположным поверхностям камеры, а другой конец пластины вне камеры и сама камера шарнирно присоединены к корпусу или к несущей поверхности транспортного средства с возможностью передачи камере качательных движений, отличающийся тем, что в передней части каждой пластины с обеих ее сторон по всей ее ширине закреплены своими передними частями с возможностью свободного поворота гибкие упругие ленты, имеющие заостренную заднюю кромку. 2. Реактивный движитель по п.1, отличающийся тем, что гибкие упругие ленты закреплены на расстоянии 0 - 20% длины пластины от ее передней кромки и выполнены шириной, равной 10 - 20% от длины пластины. 3. Реактивный движитель по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность ленты при ее установке выполнена заподлицо с поверхностью пластины. 4. Реактивный движитель по п.1, отличающийся тем, что горизонтальные поверхности каждой камеры выполнены по форме поверхности взаимодействующих с ними соответствующих гибких упругих лент. 5. Реактивный движитель по п.1, отличающийся тем, что в хвостовой части каждой пластины дополнительно установлена пара гибких упругих лент.