СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО РЕАКТИВНОГО ПОТОКА ГАЗА ИЛИ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2008 года по МПК F02K1/00 H02K44/02 

Область применения

Изобретение относится к способам создания реактивного импульсного потока (струи) газа или жидкости и может быть использовано в трубопроводных транспортных системах и реактивных двигателях, в том числе сверхзвуковых.

Уровень техники

Для создания реактивного потока (струи) необходимы: «источник исходной (первичной) энергии, которая превращается в кинетическую энергию реактивной струи; рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из реактивного двигателя (Р.д.); сам Р.д. - преобразователь энергии. Исходная энергия запасается на борту летательного или др. аппарата, оснащенного Р.д. (химическое горючее, ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца). Для получения рабочего тела в Р.д. может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере Р.д.; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата» (см. БСЭ, «Реактивный двигатель»).

Известен способ получения импульсной струи и устройство для его осуществления [1].

Данный способ выбран в качестве прототипа.

Однако в этом способе используется ряд технических решений, снижающий его эффективность. В частности - это зависимость от принудительной (водопровода) подачи рабочего тела в активную зону устройства; наличие ротора центрифуги с радиусом вращения центра масс, превышающим радиус точки приложения внешнего возбуждения; наличие каналов и сопел, что, только это, по утверждению самих авторов, снижает скорость струи примерно на 40%.

Техническим результатом данного изобретения является простота способа и устройства, которые обеспечивают создание реактивного импульсного потока.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показана конструктивная схема устройства для генерирования импульсного реактивного потока, где 1 - блок аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела, 2 - блок компрессии, 3 - усилитель, 4 - полый ротор, 5 - статор, 6 - токопроводящая обмотка статора, 7 - пассивная обмотка статора, 8 - корпус, 9 - пассивный ротор.

На Фиг.2 показана схема векторов силы внешнего возбуждения.

Сущность изобретения

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе генерирования импульсного реактивного потока газа или жидкости, включающем в себя аккумулирование, равноускоренным вращением полого ротора, движения присоединенных масс рабочего тела, с пропусканием через токопроводящую обмотку статора импульсного электрического тока, величина которого фиксирована по величине силы тока и периоду, с осуществлением регулировки импульсного тока по частоте импульсов частотно-импульсным преобразователем таким образом, что частота импульсного тока изменяется в сторону увеличения соразмерно с ростом частоты вращения ротора, до достижения заданной частоты вращения; включающем компрессию вращающихся масс рабочего тела, создание устойчивого установившегося движения масс рабочего тела с фиксированной энергией состояния; включающем генерирование реактивного импульсного потока, отличием является то, что величину поля вихревой трубки задают таким образом, чтобы импульсное генерирование поля не нарушало его целостности и энергетических характеристик, а импульсный электрический ток возбуждения генерирования пропускают через токопроводящую обмотку усилителя таким образом, чтобы он не превышал по частоте величину частоты собственных колебаний поля.

Внешнее возбуждение генерирования передают на обмотку статора зоны аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела.

Устройство для генерирования импульсного реактивного потока газа или жидкости, содержащее инерционный блок аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела, представляющий собой силовой агрегат, состоящий из полого гладкого безобмоточного ротора, выполненного из массива материала с широкой петлей гистерезиса, и статора, внутренняя поверхность которого выполнена или имеет покрытие из материала с преобладающими диамагнитными или магнитными свойствами, причем токопроводящая обмотка статора чередуется с материалом корпуса статора, отличается тем, что внутренний диаметр полости ротора равен внутреннему диаметру корпуса статора и их поверхности, сопряжением элементов, образуют единую цилиндрическую поверхность, конструктивно соединенную с компрессором, который имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении аксиального перемещения вихревой трубки, от блока аккумуляции к усилителю, и конструктивно соединен с усилителем, конструкция которого соответствует конструкции блока аккумуляции с отличием в том, что диаметр его внутренней цилиндрической поверхности равен выходному диаметру компрессора.

Устройство для генерирования импульсного реактивного потока газа или жидкости может содержать не менее одного пассивного ротора в блоке аккумуляции и/или в усилителе, выполненного без обмотки статора и соответствующих по диаметру роторам блока аккумуляции и усилителя соответственно.

Компрессор может быть выполнен из углеродного двухмерно армированного композитного материала, типа КУП-ВМ-2.

Функцией блока аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела является создание поля вращения рабочего тела с максимальной собственной энергией. Поставленная задача достигается путем аккумулирования заданной величины вращательного движения присоединенных масс рабочего тела (газа или жидкости), их компрессии и генерирования в виде импульсного реактивного потока регулируемой частоты. Аккумулирование вращательного движения масс рабочего тела осуществляется с целью повышения их энергии состояния.

В классических системах энергия рабочего тела, до его генерирования, характеризуется только внутренней энергией тела ε. В известном прототипе энергия единицы объема потока будет ρv²/2+ρε, согласно [2], где ρ - удельная плотность рабочего тела; v - линейная скорость перемещения единицы объема. Исходным является состояние относительного покоя единицы объема рабочего тела, и внешняя энергия расходуется на придание каждому отдельному импульсу заданных характеристик. В заявленном же способе помимо внутренней, добавляется кинетическая энергия, и энергия состояния рассчитывается исходя из [2] такой формулы:

ρa²ω²/2+ρε, где ω - угловая скорость, а - расстояние от оси вращения до точки единицы объема.

Энергия состояния формируется из вращательного движения масс, присоединенных в процессе ускоренного движения до достижения ротором расчетной скорости состояния. Присоединение масс рабочего тела может происходить только при переменном (ускоренном) движении (см. [3]). При этом движение должно быть равноускоренным с небольшой фиксированной величиной ускорения. Только при соблюдении этого условия возможно формирование устойчивого состояния рабочего тела и постоянной его энергии состояния. «Изменение состояния (или положения) одной из частиц приводит к изменению создаваемого ею поля, которое отражается на др. частице лишь через конечный промежуток времени, необходимый для распространения этого изменения до частицы» (см. [4]). В прототипе [1] этого не происходит, так как рабочее тело подается в полость ротора, вращающегося с высокой скоростью, и просто ускоряется в нем, не формируя состояния. Или периоды раскрутки маховика и получения состояния высокой энергии будут так велики, что это не позволит получить поток (струю). Будет происходить выброс значительно разделенных по времени порций рабочего тела («быстрых капель»).

Полученное, в результате аккумулирования движения, в заявленном изобретении состояние можно считать квазистационарным. «Состояние системы называется квазистационарным, если величины, при постоянстве которых оно было бы стационарным, медленно меняются со временем. При этом соотношения между разными свойствами системы остаются приблизительно такими же, как и в стационарных системах» [5]. Энергия полученного состояния является функцией угловой скорости ω. При этом функцией угловой скорости являются и каждая ее составляющая - кинетическая энергия и внутренняя энергия. Энергия исходного состояния Е_c≈ρa²Vω²/2+ρVε, где ε - внутренняя энергия единицы массы; ρ - плотность рабочего тела; а - расстояние от оси вращения до центра масс; V - объем рабочего тела; ω - угловая скорость вращения.

Состояние полученного поля уникально - оно является возбужденным, что характеризуется высокой частотой свободных колебаний и повышенной плотностью, и одновременно устойчивым. И возбужденность, и устойчивость являются функцией одного параметра - угловой скорости. «Переход от ламинарного к турбулентному течению является процессом самоорганизации, при котором часть энергии теплового хаоса (связанного с произвольными флуктуациями, происходящими на молекулярном уровне) переходит в макроскопически организованное движение упорядоченных диссипативных структур. Это обстоятельство повышает внутреннюю упорядоченность системы по сравнению с молекулярным хаосом, повышает устойчивость движения» [6].

В конусной зоне компрессии осуществляется улучшение кинетических характеристик поля и, как следствие, увеличение энергии состояния масс рабочего тела. При этом целостность поля не нарушается, так как в результате аккумулирования движения масс рабочего тела в рабочем пространстве образуется непрерывная вихревая трубка. «Вихревая трубка не может иметь внутри жидкости ни начала, ни конца; она или может быть замкнутой (вихревое кольцо), или должна иметь начало и конец на границах жидкости (например, на поверхности обтекаемого тела; на поверхности сосуда, внутри которого заключена жидкость; на поверхности земли - в случае смерчей; на поверхности воды или на дне реки - в случае вихрей в текущей воде и т.п.)» [7]. Кроме повышения энергетических характеристик масс рабочего тела конусная зона компрессии снижает потери энергии от диссипации, так как любое физическое поле имеет самопроизвольное излучение. Самопроизвольное излучение, называемое «шумами», считается принципиально неустранимым, но при низких частотах собственных колебаний весьма незначительно.

Генерирование импульсного реактивного потока представляет собой вынужденное излучение поля и является следствием передачи импульсного внешнего возбуждения полю. Величина поля (вихревой трубки), его массогабаритные характеристики таковы, что импульсное генерирование поля не нарушает его целостности, но частота внешнего возбуждения не должна превышать величину частоты свободных (собственных) колебаний системы, что обеспечивает релаксацию поля и стабильность всех характеристик реактивного потока. Математически энергия реактивного потока рассчитывается так:

Е_п=Е_с·τn=(ρа²Vω²/2+ρVε)·τn,

где τ и n - период и частота внешнего возбуждения соответственно.

Для осуществления заявляемого способа может быть используется устройство необъемного вытеснения - генератор импульсного реактивного потока. Функционально устройство (см. Фиг.1) состоит из трех блоков: блок аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела (1), блок компрессии (2), усилитель (3).

Блок (1) аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела представляет собой силовой агрегат, состоящий из полого гладкого безобмоточного ротора (4), выполненного из массива материала с широкой петлей гистерезиса, и статора (5), внутренняя поверхность которого выполнена или имеет покрытие из материала с преобладающими диамагнитными или магнитными свойствами. Токопроводящая обмотка (6) статора чередуется с материалом корпуса статора - его пассивной обмоткой (7). Наличие диамагнитной или магнитной поверхности позволяет создать в рабочем и торцевых зазорах между поверхностями ротора (4) и статора (5) напряженность магнитного поля, делающую вращение ротора практически без трения. Работоспособность этого эффекта широко известна и используется в магнитных (электромагнитных) подшипниках и редукторах.

Задача блока (1) аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела - создание поля вращения рабочего тела с максимальной собственной энергией. Для этого требуется максимальная угловая скорость Ef(ω) и минимальные потери на диссипацию. Для исключения точек концентрации напряжений и, как следствие, повышения надежности агрегата и снижения потерь энергии внутренний диаметр полости ротора (4) выполняют равным внутреннему диаметру корпуса статора (5) и таким образом, что их поверхности, сопряжением элементов, образуют единую цилиндрическую поверхность. С одной стороны, этот цилиндр открыт полностью, что обеспечивает свободное и естественное присоединение масс рабочего тела, с другой переходит в блок компрессии (2).

Через токопроводящую обмотку (6) статора (5) в блоке аккумуляции (1) пропускают импульс электрического заряда, импульсный электрический ток. Величину импульса электрического тока делают минимально достаточной и фиксированной по величине (силе тока, А) и широте (период τ, сек). Регулировка импульсного тока осуществляется по частоте импульсов (n, 1/с). Для этих целей может использоваться ЧИП (частотно-импульсный преобразователь). Каждый импульс дает прирост частоты вращения ротора (4) на постоянную величину, например на 1 оборот в секунду (об/с). Частота импульсного тока изменяется в сторону увеличения соразмерно с ростом частоты вращения ротора, до достижения заданной частоты вращения. Вращение ротора начинается с нуля и равномерно возрастает. Это необходимо для вовлечения в движение присоединенных масс рабочего тела и формирования устойчивого свободного (собственного) движения. «В среде конечного объема могут происходить свободные колебания лишь с вполне определенными частотами. Конкретные значения собственных частот зависят от формы и размеров сосуда. В каждом данном случае существует бесконечный ряд возрастающих собственных частот. Нахождение их требует конкретного исследования уравнения движения с соответствующими граничными условиями» [2]. Речь идет о множественности собственных энергетических уровней системы. Достижение конечных характеристик поля вращения полностью зависит от современных технических возможностей.

Блок компрессии (2) выполнен в виде корпуса, имеющего форму усеченного конуса, сужающегося в направлении аксиального перемещения вихревой трубки, от блока (1) аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела к усилителю (3). Корпус блока компрессии выполнен, например, из углеродного двухмерно армированного композитного материала, типа КУП-ВМ-2, имеющего высокий предел прочности на растяжение по осевому и радиальному направлениям.

Назначение блока компрессии (2) - повышение кинетических характеристик поля вращения и снижение потерь от самопроизвольного излучения. Так при равном количестве движения на входе в компрессор и выходе из него m₁ω₁=m₂ω₂, ω₂>ω₁, тогда m₂(ω₂)²>>m₁(ω₁)². В зоне усилителя (3), за блоком компрессии (2), величина энергии состояния будет значительно выше и численно будет определяться умножением коэффициента компрессии (ω₂/ω₁)² на величину энергии поля в зоне аккумулятора.

Конструкция усилителя (3) аналогична конструкции блока аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела (Фиг.1), только диаметр его внутренней цилиндрической поверхности делают равным выходному диаметру корпуса блока компрессии (2). Ротор (4) усилителя (3), в динамическом режиме, играет роль присоединенных масс и вовлекается в движение вихревых потоком, созданным в блоке (1) аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела и прошедшим через блок компрессии (2). В блоке (1) аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела получают энергию состояния поля Е_c. Назначение усилителя (3) - преобразовать эту энергию в кинетическую энергию импульсного реактивного потока. Этот эффект достигает передачей внешнего возбуждения, электромагнитного по своей природе, через токопроводящую обмотку статора усилителя на поверхность ротора, а через массив ротора - вращающимся массам рабочего тела. Передаваемое внешнее возбуждение имеет радиальную и тангенциальную векторные составляющие (Фиг.2). Одновременно происходит сжатие ротора и его ускорение. При этом, если на сжатие ротора работает только радиальная составляющая внешнего возбуждения, то на ускорение его вращения работают и радиальная, и тангенциальная составляющие. Величина и период импульса внешнего возбуждения выбраны по принципу «минимальной достаточности», поэтому реального ускорения вращения ротора не происходит, вся работа силы внешнего возбуждения ограничена полем потенциальных сил. В системе работа сил внешнего возбуждения переходит в аксиальное перемещение масс рабочего тела (согласно второй теореме Гельмгольца) и компенсирует потери энергии системы на генерирование. Работа устройства регулируется частотой внешнего возбуждения n, величина которой не может превышать частоту свободных (собственных) колебаний системы n≤ω/2π. Соблюдение этого соотношения, в процессе реализации способа, позволяет обеспечить релаксацию поля, присоединение количества масс рабочего тела, компенсирующего количество генерируемых масс. Максимальная энергия реактивного потока достигается при равенстве частот внешнего возбуждения и свободных колебаний. Превышение частоты внешнего возбуждения над частотой собственных колебаний приводит к разрушению поля вращения масс рабочего тела, разрыву вихревой трубки, нарушению ее непрерывности, что и происходит в процессе работы прототипа [1], так как подача рабочего тела и генерирование струи в прототипе не связаны единым полем - вихревой трубкой.

В конструкцию устройства могут быть введены не менее одного пассивного ротора (9) в блоке аккумуляции (1) и/или в усилителе (3), выполненного без обмотки статора, и соответствующих по диаметру роторам блока аккумуляции и усилителя (Фиг.1). Их пассивность определена отсутствием токопроводящей обмотки (6) и самого статора (5) и, следовательно, отсутствием внешнего возбуждения. Их назначение - повышение устойчивости движения и увеличение зоны аккумулирования (1) и зоны усилителя (3), что важно для реактивных авиационных двигателей.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

На токопроводящую обмотку (6) статора (5) блока (1) аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела передается импульс внешнего возбуждения в виде импульса электрического тока. Ротор (4) блока (1) аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела приводится во вращение. Частота импульсов внешнего возбуждения возрастает равномерно с ростом частоты вращения ротора и всегда, в динамическом режиме (режиме разгона), превышает ее на определенную фиксированную величину. Ротор (4) усилителя (3) и пассивные роторы (9), при их наличии, вовлекаются в движение вращающимися массами рабочего тела. Внешнее возбуждение снимается при достижении ротором расчетной частоты вращения, соответствующей частоте свободных колебаний системы. Формируется собственное поле системы с расчетными кинетическими ω и энергетическими характеристиками Е_c≈ρа²Vω²/2+ρVε, определение величины энергии состояния системы в целом проводится по активному объему (рабочий объем полости ротора) ротора усилителя.

В зависимости от назначения системы, в которой используется устройство, генерирование потока может осуществляться двумя способами: передачей внешнего генерирующего возбуждения на обмотку статора блока (1) аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела или передачей генерирующего возбуждения на обмотку (6) статора усилителя (3). Энергетические характеристики импульсного реактивного потока определяются, исключительно, величиной собственной энергии системы (исходная энергия) в зоне усилителя и частотой импульсов ее генерирования Е_п=Е_с·τn=(ρа²Vω²/2+ρVε)·τn. Независимость энергии реактивного потока от способов генерирования позволяет иметь две независимые схемы управления генерированием потока, что значительно повышает надежность системы в целом.

Аккумулирование движения масс рабочего тела и их последующая компрессия формируют физическое состояние рабочего тела, характеризуемое плотностью и количеством теплоты, что, в свою очередь, определяет величину единицы внутренней энергии системы, и угловую скорость, которая позволяет определить величину механической энергии единицы системы. Сумма внутренней и механической энергий дает величину энергии состояния единицы системы. Эта величина определяет энергию единичного импульса системы и является величиной наименьшего действия системы. В форме Мопертюн - Лагранжа наименьшее действие не приводит к изменению полной энергии системы, ΔЕ_с=0 (8). Кинетическая энергия реактивного потока формируется из энергии состояния системы единичными импульсами и представляет собой вынужденное излучение (истечение), являющееся результатом передачи импульсного внешнего возбуждения системе. Важнейшим достижением предлагаемого способа генерирования импульсного реактивного потока газа (жидкости) является эффективность, определяемая, в первую очередь, соотношение энергии состояния (энергии единичного импульса реактивного потока) и энергетической оценкой величины единичного импульса внешнего генерирующего возбуждения. В предлагаемом способе кинетическая энергия реактивного потока это фактически - энергия состояния поля. Также важна простота конструкции устройства для осуществления способа и, следовательно, ее надежность и технологичность.

Источники информации

1. Мухачев В.М. «Быстрые капли». М., «Московский рабочий», 1968 г., стр.85-117.

2. Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц. Теоретическая физика, том 6, «Гидродинамика», М., Наука, 1986 г.

3. «Присоединенная масса». Физический энциклопедический словарь. М., 1984 г.

4. БСЭ, «Поля физические».

5. БСЭ, «Стационарное состояние».

6. И.Пригожин. «Неравновесная статистическая механика». М., 2005 г.

7. БСЭ, «Вихревое движение».

8. «Наименьшего действия принцип». Физический энциклопедический словарь. М., 1984 г.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу создания реактивного импульсного потока газа или жидкости. Техническим результатом данного изобретения является простота способа и устройства, которые обеспечивают создание реактивного импульсного потока. Предложенный способ генерирования импульсного реактивного потока газа или жидкости включает аккумулирование равноускоренным вращением полого ротора движения присоединенных масс рабочего тела, с пропусканием через токопроводящую обмотку статора импульсного электрического тока, с осуществлением регулировки частотно-импульсным преобразователем таким образом, что частота импульсного тока изменяется в сторону увеличения соразмерно с ростом частоты вращения ротора, до достижения заданной частоты вращения, включающей компрессию масс рабочего тела с образованием непрерывной вихревой трубки, при этом генерирование импульсного реактивного потока осуществляют передачей внешнего генерирующего возбуждения на обмотку статора блока аккумуляции или на обмотку статора блока усилителя. В способе раскрыто выполнение устройства, в котором блок аккумуляции соединен с блоком усилителя, конструкции которых аналогичны, через корпус блока компрессии в виде усеченного конуса. При этом блок аккумуляции представляет собой силовой агрегат из полого безобмоточного ротора и статора, которые образуют единую цилиндрическую поверхность с диаметром, равным выходному диаметру корпуса блока компрессии. 2 ил.

Способ генерирования импульсного реактивного потока газа или жидкости, включающий в себя аккумулирование равноускоренным вращением полого ротора движения присоединенных масс рабочего тела, с пропусканием через токопроводящую обмотку статора импульсного электрического тока, с осуществлением регулировки импульсного электрического тока по частоте импульсов частотно-импульсным преобразователем соразмерно частоте вращения ротора до достижения заданной частоты вращения, включающей компрессию вращающихся масс рабочего тела с образованием непрерывной вихревой трубки, отличающийся тем, что генерирование импульсного реактивного потока осуществляется передачей внешнего генерирующего возбуждения на обмотку статора блока аккумуляции или на обмотку статора блока усилителя, при этом блок аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела представляет собой силовой агрегат, состоящий из полого гладкого безобмоточного ротора, выполненного из материала с широкой петлей гистерезиса, и статора, внутренняя поверхность которого выполнена или имеет покрытие из материала с диамагнитными или магнитными свойствами, в котором токопроводящая обмотка чередуется с материалом его корпуса, причем диаметр полости ротора выполнен равным внутреннему диаметру корпуса статора, и их поверхности образуют единую цилиндрическую поверхность, которая соединена через корпус блока компрессии, выполненного в форме усеченного конуса сужающегося в направлении аксиального перемещения непрерывной вихревой трубки, с блоком усилителя, конструкция которого аналогична конструкции блока аккумуляции вращательного движения масс рабочего тела, с диаметром равным, выходному диаметру корпуса блока компрессии.