УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ В СИЛУ ТЯГИ Российский патент 2012 года по МПК B64C29/00 

Изобретение относится к транспортным средствам, например летательным аппаратам с вертикальным взлетом и посадкой, и касается технологии конструирования двигателей и движителей, применяемых на наземных, водных, воздушных, космических и др. транспортных средствах.

Известен способ и устройство создания силы тяги, заключающийся в том, что камеру, имеющую один выход в окружающую среду, заполняют текучей средой под давлением и используют струйную завесу из текучей среды, которую формируют соплом, подключенным к выходу из камеры, на вход в которое текучую среду подают от ее источника, применяя рециркуляцию текучей среды струйной завесы (патент RU № 2104188). Известен способ и устройство создания реактивной тяги ракетного двигателя, состоящий в том, что камеру двигателя, сообщенную с соплом, заполняют под давлением водой при температуре, превосходящей температуру кипения воды, при нормальном атмосферном давлении, после заполнения камеры воду подают в сопловую часть камеры для последующего истечения рабочего тела из сопла (заявка RU 96101208.)

Известен способ и устройство получения тяги винтовым движителем транспортного средства, заключающийся в том, что наклонными поверхностями лопастей винта создают основной закрученный вокруг оси вращения поток массы воды или воздуха и смещают его вдоль оси вращения, обеспечивая перемещение транспортного средства в противоположном направлении от смещения основного потока, отличающийся тем, что у той части массы основного закрученного потока, которая смещается радиально от оси вращения за счет центробежной силы, изменяют направление ее движения на угол от 45 до 135° и совмещают с направлением перемещения основного потока вдоль оси вращения винта (заявка RU 2002105078).

Известно изобретение, в котором винт (пропеллер) выполнен в виде плоской пластины с многоячеистой решеткой, причем каждая ячейка решетки представляет собой сквозное отверстие в плоской пластине и установленную над ним под углом к плоскости вращения пропеллера пластину-лопасть, отогнутую вокруг радиальной линии, соединяющей центр вращения пропеллера и указанное отверстие (заявка RU 92002532).

Известно устройство, которое содержит расположенные в корме судна два центробежных насоса с водозаборными патрубками и сопловыми отверстиями. Водозаборные патрубки размещены побортно. Часть кормовой внутренней обшивки патрубка выполнена в виде выпуклой поверхности крыла, а противолежащая ему часть носовой обшивки патрубка параллельна хорде крыла и имеет искусственную шероховатость (патент RU № 2219100).

Известно устройство - реактивный движитель для судов, характеризующийся применением вращающегося цилиндра, соединенного с проходящим через него рабочим валом при помощи лопастей перегородок и снабженного у всасывающего отверстия конической насадкой, подводящей воду через кольцевой канал, образованный валом движителя и внутренней цилиндрической стенкой насадки, а у нагнетательного отверстия снабженного шайбой, прикрывающей центральную часть этого отверстия и одетой на вал (патент СССР № 5566).

Патент СССР № 5566 может являться прототипом предлагаемого способа преобразования центробежной силы в силу тяги, так как использует одинаковый способ преобразования центробежной силы в силу тяги, но значительно отличается от него по существенным признакам. Способ по патенту RU № 2104188 обладает малой энергетической экономичностью. Способ по заявке RU 96101208 сложен в техническом исполнении и имеет низкий коэффициент полезного действия. Способ по заявке RU 2002105078 предполагает нерациональное использование кинетической энергии воды или воздуха и значительные затраты энергии на преодоление вязкости при работе в воде. Кроме того, прототип и последние три перечисленных изобретения применимы только в однородных средах.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности использования центробежной силы. Цель изобретения достигается за счет использования центробежной силы, возникающей в твердом теле при вращении его в неплотной среде, например в атмосфере, при этом воздействие центробежной силы происходит на более плотную среду жидкость, например воду. Достигается это тем, что внутренняя структура твердого вращающегося тела позволяет воде свободно перемещаться под действием центробежной силы в направлении от оси вращения к внешним сторонам этого тела. Строение твердого вращающегося тела устроено так, что имеется возможность вливания в него воды возле его оси вращения. Вода, получившая ускорение и набравшая скорость при движении от оси вращения к внешним сторонам твердого вращающегося тела, имеет возможность выливаться из него. Направление выливающейся воды строением твердого вращающегося тела изменено и направлено вдоль оси вращения:

1. Вращение твердого тела в атмосфере при равных затратах энергии дает возможность достигать большую угловую скорость, чем при вращении того же тела в воде, так как плотность воздуха в атмосфере значительно меньше плотности воды.

2. Применение воды в качестве рабочего тела, на которое действует центробежная сила, дает возможность достигать большего значения момента импульса при вытекании воды из вращающегося тела, чем при использовании воздуха, так как плотность воды значительно больше плотности воздуха.

Сущность устройства преобразования центробежной силы в силу тяги заключается в воздействии на воду, находящуюся внутри твердого полого тела центробежной силы, возникающей при вращении этого твердого тела вместе с водой в окружающей среде имеющей значительно меньшую плотность, чем вода, например, в атмосфере (воздухе). При этом вращение твердого тела в атмосфере может осуществляться на значительно больших оборотах и при значительно меньших энергетических затратах, чем в воде. Как следствие, большая возникающая центробежная сила, соответствующая произведению квадрата угловой скорости и радиуса описываемой окружности, будет действовать на воду, находящуюся внутри твердого тела и вращающуюся вместе с ним в плоскости, перпендикулярной оси вращения. При физическом ограничении возможности движения воды (за счет внутренней структуры вращающегося твердого тела, например, внутренняя структура тела представляет собой радиальные трубки из твердого вещества (металла), которые расположены в направлении от оси вращения по радиусу, имеют небольшое равное по всей длине внутреннее сечение, а пространство, увеличивающееся между ними с увеличением расстояния от оси вращения, исключает возможность попадания воды) в направлении движения воды во вращаемом твердом теле в направлении от оси вращения к внешней стороне вращающегося твердого тела, вода под действием ускорения приобретет скорость, направленную от оси вращения к внешней стороне вращающегося твердого тела. При протекании воды вдоль плоскости, перпендикулярной оси вращения, воздействия тяговых сил на вращающееся твердое тело не происходит. Вода под действием ускорения, за время движения по заданной физически ограниченной траектории достигнет определенной скорости, равной произведению ускорения на время. Если с помощью физической преграды (например, изгибом внешних концов радиальных трубок) изменить направление движения протекающей воды, при приближении ее к внешней стороне вращающегося твердого тела и направить ее вдоль оси вращения с возможностью вытекания за пределы вращающегося твердого тела, то вода с полученным ускорением и приобретенной скоростью покинет вращающееся твердое тело, а твердое вращающееся тело по закону сохранения импульсов получит ускорение.

Устройство для преобразования центробежной силы в силу тяги может представлять вертикально взлетающий аппарат (Фиг.1). Этот аппарат имеет два рабочих диска 2 разного диаметра (верхний больше нижнего) с возможностью вращения в противоположные стороны. В центральной части диски имеют вертикальные каналы (полая труба) 3, к входу в которые подсоединены трубы подачи воды из баков 1. Двигатели 4 с приводом вращения 5 каждого диска. Внутри каждого диска имеются водяные каналы 6, попарно симметричные относительно оси вращения, которые имеют направление от оси вращения к внешней стороне дисков, а выходное отверстие 7 каждого канала направлено вдоль оси вращения. Описываемое устройство действует следующим образом: приводом двигателей оба диска приводятся в движение до расчетных угловых скоростей в противоположных направлениях с целью компенсации сил вращения, действующих на опору крепления оси вращения 8. Через трубу подачи в оба диска подают воду из бака (из верхнего самотеком, из нижнего за счет понижения давления воздуха при вращении нижнего диска). Попадая в центр вращающихся дисков, вода начинает вращаться вместе с дисками и попадает во входные отверстия каналов. Под действием центробежной силы вода приобретает ускорение и скорость, направленную от оси вращения к краям дисков. Протекая по закругленной части каналов дисков, движение воды меняет направление на 90 градусов, практически не изменяя своего численного значения скорости, так как вода имеет маленький коэффициент сжатия (для воды К=0,000046). Вытекающая из каналов дисков вода имеет импульс, равный произведению ее массы на скорость. По закону сохранения импульсов вертикально взлетающий аппарат так же получит импульс, направленный в противоположную сторону. При этом отношения скоростей вытекания воды и вертикально взлетающего аппарата будут обратно пропорциональны их массам, в каждый момент времени. Результатом описываемого процесса является реактивное движение, подобное движению ракеты, выбрасывающей реактивную струю сгораемого топлива. Отличие предлагаемого устройства заключается в использовании вместо реактивной струи сгорающего топлива ракеты другого рабочего тела, а именно воды или другой жидкости. Применение воды в качестве рабочего реактивного тела позволяет за счет присущих ей свойств: небольшого коэффициента сжатия, жидкого состояния, плотности, равной примерно 1 г/см³, передачи давления равномерно во все стороны, получить непрерывное ускорение. Еще одно отличие предлагаемого способа заключается в разгоне рабочего реактивного тела до скорости, способной дать необходимый импульс и соответственно, силу тяги за счет использования центробежной силы, возникающей при вращении тел. Одновременно, за счет вышеперечисленных свойств воды при изменении направления ее вытекания наружу, изменяется только направление вектора скорости рабочего тела, а численное значение скорости изменяется незначительно и может приблизительно считаться постоянным до изменения направления движения и после, до момента вытекания наружу.

Дополнительно предлагаемое устройство для преобразования центробежной силы в силу тяги может использоваться в движительной водометной установке плавсредства, см. на Фиг.2, где 7 - выходное отверстие водяного канала, 6 - водяной канал, 2 - вращающейся рабочий диск, 8 - опора крепления оси вращения, 3 - ось вращения (полая труба), 4 - двигатель, 5 - привод вращения, 1 - бак для воды, 9 - водозаборник.

Приблизительное математическое описание устройства преобразования центробежной силы в силу тяги может быть описано формулой Циолковского

Она позволяет определить скорость при полете в идеальных условиях, когда отсутствуют внешние силы ΣP=0, для любого момента времени при известном секундном расходе воды , где - секундный расход воды на i-том шаге), m_k - конечная масса, m_o - начальная масса. Скорость вытекания воды W можно определить по формуле

W=ω×r,

где ω - угловая скорость вращения, r - радиус до точки вытекания.

Для подробного математического описания устройства необходимо учитывать силы трения, сопротивления воздуха, коэффициенты расширения для различных физических тел и т.д. Кроме того, на характер движения будут влиять гироскопические свойства быстро вращающегося тела, прецессия вращающегося тяжелого твердого тела.

Основной количественной характеристикой вращающегося твердого тела является момент количества движения или момент импульса

H=CW,

где C - момент инерции относительно оси собственного вращения, W - составляющая вектора абсолютной угловой скорости, направленная по оси собственного вращения.

Прецессия, описываемая векторным уравнением, wiH=М,

здесь w - вектор угловой скорости прецессии, H - вектор собственного кинетического момента, M - ортогональная к H составляющая вектора момента внешних сил, приложенных к вращающемуся твердому телу.

Особое влияние будет иметь характер течения воды в каналах (трубках) вращающегося твердого тела, который можно установить, пользуясь безразмерной величиной - числом Рейнольдса: Re=ρ·v_cp·r/µ, где ρ - плотность жидкости, v_cp - средняя (по сечению канала) скорость потока, µ - коэффициент вязкости жидкости, r - характерный геометрический размер, в частности, радиус сечения канала. Число Рейнольдса характеризует отношение сил инерции и сил вязкости. Текущую жидкость можно рассматривать как невязкую, если число Рейнольдса для такого течения Re>1.

Изобретение относится к летательным аппаратам вертикального взлета и посадки. Устройство для преобразования центробежной силы в силу тяги для подъема вертикально взлетающего аппарата содержит два рабочих диска разного диаметра, верхний больше нижнего, с возможностью вращения в противоположные стороны. В центральной части диски имеют вертикальные каналы - полые трубы, к входу в которые подсоединены трубы подачи воды из баков. Имеются двигатели привода вращения каждого диска. Внутри каждого диска имеются водяные каналы, попарно симметричные относительно оси вращения и направленные от оси вращения к внешней стороне дисков, а выходное отверстие каждого канала вдоль оси вращения. Изобретение направлено на упрощение конструкции. 2 ил.

Устройство для преобразования центробежной силы в силу тяги для подъема вертикально взлетающего аппарата, содержащее два рабочих диска разного диаметра, верхний больше нижнего, с возможностью вращения в противоположные стороны, при этом в центральной части диски имеют вертикальные каналы - полые трубы, к входу в которые подсоединены трубы подачи воды из баков, двигатели с приводом вращения каждого диска, при этом внутри каждого диска имеются водяные каналы попарно симметричные относительно оси вращения, которые имеют направление от оси вращения к внешней стороне дисков, а выходное отверстие каждого канала направлено вдоль оси вращения.