Движитель на основе мгновенно вращательной гребной пластины (лопасти) Российский патент 2021 года по МПК B63H1/02 F02F1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

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

Для краткости в тексте выражение: «Движитель на основе мгновенно вращательной гребной пластины (лопасти)» можно заменять на: «Движитель на основе гребной (ых) пластине (ах). Слово пластина может заменяться словом лопасть.

В тексте выражения: «сложное движение» или «двойное вращение» означают, вращение относительно двух параллельных осей вызывая, мгновенно вращательное движение.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

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

Из уровня техники известен движитель, представляющий собой клапанную решётку, обладающий: решётчатым каркасом, способным совершать возвратно-поступательные (колебательные) движения перпендикулярно своей поверхности за счёт собственного привода; клапанами, расположенными в проёмах решётчатого каркаса, способными одновременно открывать и закрывать проёмы решётчатого каркаса, изменяя его площадь наибольшего поперечного сечения; вырабатывает движущую силу за счёт сил реакции среды в процессе собственных управляемых перемещений и трансформаций, с последующей передачей этой силы объекту движения посредством собственного корпуса. Источник информации: (RU 60479 U1, B64C 33/00, 27.01.2007, описание стр. 3, строки 5-23, фиг. 1-4, 5).

Известно описание ещё одного реактивного движителя: «Активная клапанная решетка». Этот движитель содержит решетчатый каркас, способный совершать возвратно поступательные (колебательные) движения и активные клапана, установленные в проёмах решетчатого каркаса. Благодаря наличию датчиков положения каркаса и клапанов, а также наличию блока управления приводами каркаса и клапанов достигается согласованная работа всего механизма, в результате которой вырабатывается направленная сила тяги. Источник информации: (RU 2452661 C2, описание стр. 4, строки 30 — 55, стр.5, строки 1 — 55, фиг. 9, фиг. 10.)

Заявленное изобретение отличается от выше указанных тем, что в заявленном движителе отсутствует клапанная решетка, которая в выше указанных изобретениях совершает возвратно поступательное (колебательное) движение. А также отсутствие клапанов, которые установлены в проёмах решетчатого каркаса, роль которых заключается в изменении свойства решетчатого каркаса, а именно, изменять площадь проходного сечения и, следовательно, коэффициент лобового сопротивления решетчатого каркаса.

В заявленном движителе содержится гребная пластина, которая благодаря механизму зубчатой передачи совершает мгновенно вращательное движение с изменением своей площади Миделя в зависимости от направления своего движения. Благодаря чему гребная пластина создаёт разные по величине и направлению силы реакции среды, общая составляющая которых оказывается односторонне направленной, в результате чего и вырабатывается направленная движущая сила.

Так же из уровня техники известен крыльчатый движитель, который состоит из нескольких вертикальных лопастей, расположенных на равных расстояниях по окружности вращающегося диска. Диск этот установлен заподлицо с обшивкой судна в округлом отверстии в днище судна. За пределы корпуса судна выступают только лопасти движителя, создающие силу упора, а все вспомогательные части, приводящие в движение диск с лопастями и связывающие его с корпусом судна, находятся внутри корпуса.

Лопасти крыльчатого движителя при вращении диска совершают два движения одновременно: вращаются вместе с диском вокруг его оси, и каждая лопасть поворачивается на некоторый угол относительно своей вертикальной оси то в одну, то в другую сторону, не делая полного поворота. Так как лопасть перемещается в воде всё время одной и той же кромкой вперёд, для создания большей силы упора и большей обтекаемости ее делают в форме авиационного крыла. Именно поэтому движитель и называют крыльчатым.

Чтобы лопасти перемещались в воде все время одной и той же кромкой вперёд, все лопасти крыльчатого движителя соединены тягой с одной точкой, так называемой точкой управления. Каждая лопасть всегда расположена перпендикулярно к линии, соединяющей точку управления и ось лопасти. При вращении диска движителя лопасть движется в воде под каким-то углом к касательной к данной точке окружности диска, и на нее будет давить вода с силой, которую по правилам параллелограмма сил можно разложить на две составляющих силы: 1. силу упора лопасти, направленную наружу от центра диска; 2. силу лобового сопротивления лопасти. Направление отбрасываемой движителем струи воды противоположно силе упора. В противоположной точке от центра вращения диска, создастся аналогичное положение, только угол атаки лопасти будет отрицательным, и поэтому сила упора будет направлена к центру движителя и будет складываться с силой упора первой лопасти, создавая полный упор движителя, двигающий судно. В точках, лежащих от описанных на ± 90º, плоскости лопасти будут расположены параллельно касательной к окружности диска и не создадут силы упора. ( Источник информации: http://the-mostly.ru/misc/voith_schneider_propeller.html ).

Общим между заявленным изобретением и крыльчатым движителем является то, что гребные пластины и лопасти в виде крыла, совершают вращательное движение относительно центра диска, на котором они закреплены.

Однако, вращательное движение относительно собственных осей вращения гребной пластины и крыльчатой лопатки, являются различными. Гребная пластина совершает полный оборот вокруг своей оси, в то время как крыльчатая лопатка совершает только поворотные движения на некоторый угол, не совершая полный оборот вокруг своей оси вращения.

Гребная пластина совершает двойное вращательное движение: вращение вокруг центра диска, на котором крепится пластина на своей оси расположенной на некотором расстоянии от центра диска; и вращение вокруг этой собственной оси вращения. Так как две оси, вокруг которых происходит вращение гребной пластины, параллельны, такое движение называется сложным или мгновенно вращательным движением. Совершая такое мгновенно вращательное движение, гребная пластина поворачивается таким образом, что поочерёдно меняет свою рабочую поверхность, которая отталкивает внешнюю среду. У предъявленного движителя рабочими являются обе поверхности гребной пластины, а также в процессе вращения меняется и передняя кромка (ребро), которым пластина движется вперёд, в то время как, крыльчатые лопасти перемещаются всё время одной и той же кромкой вперёд, что так же является отличительной особенностью этих движителей.

Ещё одной отличительной особенностью предъявленного движителя и крыльчатого движителя является, способ выработки движущей силы. В движителе на основе гребной пластины в результате отталкивания окружающей среды поверхностью пластины, возникает сила реакции среды равная по величине, но противоположная по направлению вырабатываемой движущей силе. Крыльчатый движитель вырабатывает движущую силу за счёт гидро (аэро) динамической силы, возникающей на крыле. Лопасть, имеющую форму крыла, на которую во время движения происходит набегание текучей среды под определённым углом (угол атаки) создаёт полную гидро (аэро) динамическую силу, которая состоит из двух сил, сила лобового сопротивления, направленная по потоку прямо против движения и сила упора, всегда перпендикулярна набегающему потоку. Эта сила упора и создаёт движущую силу крыльчатого движителя.

Наиболее близким аналогом движителя на основе гребной пластины является гребное колесо. Гребные колёса применяются в судоходстве, как правило, они размещаются по бортам судна или на корме, имеют горизонтальную ось вращения, перпендикулярную направлению движения. Конструкция гребного колеса представляет собой большое колесо, снабженное лопастями (плицами), которые погружаются в воду. По устройству лопастей, гребные колёса разделяются на колёса с постоянными, переставными и поворотными лопастями. Постоянные лопасти укрепляются неподвижно к спицам колеса в положении, соответствующем углу входа 37-45°. Эти колёса работают со значительными ударами и сравнительно низким коэффициентом полезного действия. Скольжение их на тихой воде 20-30%, но конструкция проще, они легче, дешевле, требуют меньшего ремонта.

Преимуществом колёс с переставными лопастями, особенно важным для грузовых пароходов, является возможность переставлять лопасти в зависимости от углубления судна.

Наконец, колёса с поворотными лопастями, лопасти (плицы) укреплены на спицах с помощью шарнирных соединений и связаны специальными тягами от эксцентрика, эти лопасти поворачиваются на своих осях, принимая при входе и выходе из воды определённое положение.

По своей форме лопасти колеса бывают или плоские прямоугольные, или же слегка вогнутые по радиусу, равному радиусу колеса. Последняя форма лопастей дает более плавную работу.

Принцип действия гребного колеса подобно действию весел: лопасти при вращении колеса отбрасывают воду, реакция которой, передаваясь через колесо корпусу судна, служит для него движущей силой. Вследствие подвижности воды, судно не может двигаться с той же скоростью, с какой движутся в ней лопасти колеса, и потому оно, как и гребной винт, работает со скольжением. Окружность колеса, на которой при его вращении скорость равна скорости судна, носит название катящегося круга; необходимо, чтобы все лопасти располагались вне этого круга, ибо части их, входящие внутрь его, двигаясь медленнее, чем судно, будут только тормозить последнее. Кроме того, для экономичной и плавной работы колеса важно, чтобы лопасти входили и выходили из воды без ударов, что зависит: 1) от правильно выбранного угла входа и выхода и 2) от формы самой лопасти. Чем больше диаметр колеса, тем лучше оно будет работать. Для одного и того же колеса угол входа и выхода изменяется в зависимости от наибольшего углубления кромок колеса под ватерлинией.

Главным недостатком гребного колеса, как судового движителя, является его непригодность на волнении, когда скольжение достигает 60% всей скорости, развиваемой колесом. Это и служит причиной малого распространения колесного движения для морских судов; но для рек, и особенно мелководных, гребные колеса до сих пор представляют большие преимущества перед гребным винтом.

(Источник информации: ttps://ru.wikisource.org/wiki/ВЭ/ВТ/Колесо_гребное )

Также к недостаткам гребного колеса относится такая его особенность, что его работа возможна только при наличии двух текучих сред разной плотности, например, вода и воздух. Лопасти гребного колеса движутся в двух средах, но в противоположных направлениях. На ту часть гребного колеса, что толкает текучею среду большей плотности, например, воду, действует сила реакции среды большая по величине, чем та сила реакции среды, которая возникает при движении лопасти колеса в среде с меньшей плотностью, в воздухе. Суммарные силы реакции двух сред действующие на движущиеся лопасти колеса противоположны по направлению. Так как силы реакции двух сред не равны по величине, суммарная сила реакции совпадает по направлению с силой реакции более плотной среды. Эта сила и создаёт движущую силу равную по величине, но противоположную по направлению к суммарной силе реакции двух сред. Если гребное колесо полностью поместить в одну из сред (в среду с однородной плотностью), то из-за одинаковых величин, но разных по направлению, вырабатываемых сил реакции среды возникающих при движении лопастей гребного колеса, суммарная сила реакции среды будет равна нулю, и движущая сила вырабатываться не будет.

Общими свойствами гребного колеса и движителя на основе гребной пластины являются:

1) Оба движителя являются реактивными и работают на основе отталкивания (отбрасывания) окружающей текучей среды, вследствие чего возникает сила реакция среды, которая создаёт движущую силу.

2) То, что движение по окружности гребных пластин заявленного движителя и лопастей гребного колеса осуществляется вокруг центра вращения, от которого они удалены на некоторое расстояние.

Отличиями между движителем на основе гребной пластины с двойным вращением и гребного колеса, являются следующие их свойства:

Пластины гребного колеса либо неподвижно закреплены на гребном колесе, либо закреплены таким образом, что способны совершать колебательные движения вокруг своей оси вращения, поворачиваясь на некоторый угол не совершая полный оборот. В отличие от предъявленного движителя, у которого гребная пластина совершает полный оборот вокруг собственной оси вращения.

Предъявленный движитель содержит синхронизированный зеркально-симметричный механизм зубчатой передачи, обеспечивающий мгновенно вращательное движение гребной пластине. Конструкция гребного колеса не содержат механизм сложного вращения лопастей вокруг двух параллельных осей.

Движитель на основе гребных пластин способен работать в однородной среде, в то время, как гребное колесо работает только при наличии двух текучих сред с разной плотностью.

Движитель на основе гребных пластин способен вырабатывать силу тяги, располагаясь в любом направлении пространства, даже в направлении действия силы тяжести.

ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

Реактивным называют движитель, у которого создаваемое ими упорное давление получается в результате реакции масс текущей среды, отбрасываемой в сторону, противоположную вырабатываемой движущей силе.

Привод, энергосиловое устройство, приводящее в движение машину или механизм. Привод состоит из источника энергии, передаточного механизма и аппаратуры управления. Источником энергии служит двигатель или устройство, отдающую заранее накопленную механическую энергию. (БСЭ).

Механизм, система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел. Твёрдое тело, входящее в состав механизм, называется звеном. Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их относительное движение, называется кинематической парой. (БСЭ).

Зубчатой передачей называется механизм, служащий для передачи вращательного движения с одного вала на другой и изменения частоты вращения посредством зубчатых колес.

Зубчатое колесо, сидящее на передающем вращение валу, называется ведущим, а на получающем вращение - ведомым.

Основные параметры зубчатых колес:

Начальная окружность - каждая из взаимокасающихся концентрических окружностей зубчатых колес передачи, принадлежащая начальной поверхности данного зубчатого колеса.

Делительными окружностями пары зубчатых колес называются соприкасающиеся окружности, катящиеся одна по другой без скольжения. Эти окружности, находясь в зацеплении (в передаче), являются сопряженными.

Диаметр делительной окружности можно выразить через модуль и число зубьев. Диаметр делительной окружности равен произведению модуля и числа зубьев зубчатого колеса.

Пара шестерен преобразует скорость вращения вала обратно пропорционально соотношению числа зубцов. Это соотношение называют передаточным числом.

Тело, участвовавшее в двух вращениях относительно параллельных осей, будет совершать мгновенно вращательное движение.

Лобовое сопротивление это, сила, с которой среда действует на движущееся в ней тело; направлена всегда в сторону, противоположную скорости движения тела.

Сила лобового сопротивления зависит от плотности (вязкости) текучей среды, площади поперечного сечения движущегося тела (Мидель) и квадрата его скорости.

Мидель (от голл. middel, буквально - средний), для движущегося в воде или воздухе тела (например, торпеды, корпуса судна, фюзеляжа самолёта, ракеты и др.) - наибольшее по площади сечение этого тела плоскостью, перпендикулярной направлению движения.

Под площадью Миделя понимают ещё площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярную направлению его движения. К площади Миделя обычно относят действующую на тело силу сопротивления.
Остальные термины и выражения используются в значении, которое известно специалистам в данной области.

Задача настоящего изобретения состоит в создании движителя, у которого гребная пластина, изменяя величину своей силы лобового сопротивления движению, в зависимости от направления своего движения в текучей среде, вызывает различные по величине и направлению силы реакции среды. Суммарная составляющая этих сил оказывается определённо направленной, эта суммарная сила в свою очередь создаёт общую, направленную силу тяги такого движителя.

Поставленная задача решена благодаря тому, что в процессе согласованной работы зеркально-симметричного механизма зубчатой передачи гребной пластины, происходит сложное, мгновенно вращательное движение гребной пластины в текучей среде. Осью симметрии зеркально-симметричного механизма зубчатой передачи является середина гребной пластины. Два конца гребной пластины крепятся к двум механизмам зубчатой передачи, зеркально-симметрично расположенным на разных концах пластины. Благодаря наличию элементов синхронизации происходит согласованная, синхронная работа этих механизмов, и движение гребной пластины происходит без перегиба и перекоса. Механизм зубчатой передачи обеспечивает движение гребной пластины таким образом, что:

а) в некоторых своих положениях пластина движется своим тонким ребром вперёд и её площадь Миделя минимальна, следовательно, минимальна и сила лобового сопротивления, что не приводит к возникновению значительной силы реакции среды уменьшающую силу тяги движителя в таких местах;

б) в некоторых других своих положениях пластина движется всей своей широкой поверхностью вперёд, в этом случае площадь Миделя пластины оказывается максимально возможной, следовательно, максимальна и сила лобового сопротивления, которая вызывает значительную силу реакции среды, являющейся в свою очередь причиной возникновения значительной силы тяги;

в) при движении в промежуточных от указанных положений, пластина располагается под некоторым углом к направлению своего движения, и её площадь Миделя принимает промежуточные значения от минимума до максимума, следовательно, и силы реакции среды от движения в таких местах принимают разные по направлению и по величине значения;

г) для каждого своего углового положения относительно центра вращения диска, на котором крепится ось вращения самой пластины, площадь Миделя оказывается одинаковой, одинаковой оказывается и сила лобового сопротивления движению, следовательно, и сила реакции среды для каждого своего положения оказывается постоянной по величине и направлению, но суммарный вектор всех этих сил, усредненный по времени, оказывается односторонне направленным, что и является причиной возникновения направленной силы тяги.

Ключевыми признаками движителя на основе мгновенно вращательной гребной пластины, согласно изобретению, являются:

(а) наличие зеркально-симметричного механизма зубчатой передачи, реализующего сложное движение пластины вокруг двух параллельных осей;

(б) наличие гребной пластины с мгновенно вращательным движением;

(в) наличие синхронизатора, обеспечивающего синхронную, согласованную работу зеркально-симметричного механизма зубчатой передачи, приводящего в движение гребную пластину без изгибов и изломов.

(г) наличие нескольких источников механической энергии (двигателей) для равномерного распределения вырабатываемой ими механической энергии по площади всего движителя и для повышения надёжности при возникновении поломок, двигатели вырабатывают вращательное движение для осей синхронизации;

(д) блок управления двигателями, для регулировки частоты вращения осей синхронизации, что влияет на величину вырабатываемой силы тяги;

Движитель содержит корпус, на котором крепятся двигатели, вырабатывающие механическую энергию в виде вращения, двигатели вращают оси синхронизатора; оси синхронизатора своими концами устанавливается в корпус с возможностью их вращения; на корпусе также закреплены неподвижные оси вращения зубчатых дисков, на которых установлены механизмы зубчатых передач с гребными пластинами. Корпус движителя служит для соединения его с объектом, приводимым в движение, и передачи ему силы тяги.

Около концов осей синхронизатора установлены приводные шестерни, которые входят в зацепление с зубчатыми дисками. Приводные шестерни передают вращение от осей синхронизатора к зубчатым дискам. Зубчатые диски располагаются с двух сторон от гребной пластины симметрично относительно её середины. В этом случае, вращение зубчатых дисков, расположенных на разных концах движителя происходит синхронно, они поворачиваются одновременно на одинаковый угол и с одинаковой угловой скоростью. Зубчатые диски вращаются на закреплённых к корпусу осях за счёт приводных шестерёнок. На зубчатых дисках установлен механизм зубчатой передачи, предназначенный для вращения гребной пластины. Механизм зубчатой передачи состоит из трёх шестерёнок с одинаковым модулем. Две шестерни имеют одинаковое количество зубьев, а третья шестерня имеет в два раза больше зубьев. Таким образом, две шестерни имеют, относительно третей шестерни, малый диаметр, а третья имеет диаметр в два раза больше. Все три шестерни располагаются на одной прямой. Так как, две шестерни устанавливаются на вращающийся зубчатый диск, то их оси вращения будут располагаться вдоль одного радиуса. Первая малая шестерня жёстко крепится, без возможности вращения, в центре зубчатого диска. Она крепится на неподвижном валу, на котором вращается зубчатый диск. Вторая малая шестерня устанавливается на ось своего вращения, которая закреплена на зубчатом диске, таким образом, чтобы обе малые шестерни создавали сопряженную пару. Третья (большая) шестерня крепится на своей оси вращения расположенной на том же радиусе, на котором находится вторая малая шестерня. Большая шестерня входит в зацепление, со второй малой шестернёй образуя сопряженную пару. К большой шестерне крепится один конец гребной пластины. Гребная пластина представляет собой тонкую пластину, у которой длина значительно больше ширины. Для одной гребной пластины необходимо наличие двух механизмов зубчатой передачи, которые расположены по двум краям пластины симметрично её середины. Работа механизма зубчатой передачи происходит следующим образом. При вращении зубчатого диска с угловой скоростью ω относительно своей оси вращения, вместе с ним вращаются и оси шестерёнок механизма зубчатой передачи. Вторая малая шестерня, входя в зацепление с первой неподвижной шестернёй, вращается вокруг своей оси с той же угловой скоростью ω, что и зубчатый диск. При полном обороте зубчатого диска вторая малая шестерня тоже совершает один полный оборот вокруг своей оси. Так как вторая малая и третья большая шестерни являются сопряжённой парой, то при вращении малой будет вращаться и большая шестерня. За счёт того, что диаметр большой шестерни в два раза больше чем малой, то и её угловая скорость будет в два раза меньше. За один полный оборот зубчатого диска большая шестерня повернётся на 180 градусов, совершив пол оборота вокруг своей оси. Один полный оборот вокруг своей оси большая шестерня совершит за два оборота зубчатого колеса. Два механизма зубчатой передачи находящихся на двух концах гребной пластины придают ей сложно вращательное движение относительно двух параллельных осей, оси зубчатого диска и оси большой шестерни, такое движение называется мгновенно вращательным.

Благодаря синхронизатору, в который входят оси синхронизации с двумя приводными шестернями, расположенными на концах каждой оси, происходит синхронизация вращений зубчатых дисков. Приводные шестерни вращают зубчатые диски, которые симметрично расположены относительно центра пластины. В связи с чем, механизмы зубчатых передач одной гребной пластины, находящихся на двух её концах, совершают синхронные вращения, благодаря чему оба конца гребной пластины совершают одинаковые движения в пространстве, не допуская перекосов и перегибов пластины. Такой привод гребных пластин называется зеркально-симметричным механизмом зубчатой передачи.

Создание направленной движущей силы движителем на основе мгновенно вращательной гребной пластины происходит следующим образом. Движение гребной пластины в текучей среде при разных направлениях происходит с различной по величине площадью Миделя пластины, причём для каждого конкретного направления движения пластины её площадь Миделя оказывается постоянной. Так как площадь Миделя пластины при её движении изменяется в пределах от минимальных до максимальных значений возможных для данной пластины, то для одних направлений движения пластины площадь Миделя оказывается большей, чем для других направлений. Следовательно, разной будет и сила лобового сопротивления для этих направлений, в результате чего при движении гребной пластины в текучей среде возникают силы реакции среды разные по величине и по направлению, но постоянные для одних и тех же направлений движений (положений) пластины. Равнодействующая этих сил реакции среды, усредненная по времени, оказывается направленной в определённую сторону.

Движитель снабжен блоком управления двигателями, при помощи которого осуществляется регулировка их частоты вращения. Изменяя частоту вращения двигателей можно изменять развиваемую движителем силу тяги.

Движитель имеет корпус, посредством которого, вырабатываемая им сила тяги передается объекту, приводимому в движение.

Для уменьшения силы лобового сопротивления пластины во время её движения по направлению противоположному направлению вырабатываемой силы тяги, как сама пластина, так и её рёбра могут иметь различную форму и толщину, что позволит уменьшить силу сопротивления движению пластины в этот момент.

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

Альтернативное применение представленного изобретения.

Подобно тому как, воздушный винт может применяться и в качестве движителя, например, воздушный винт у самолётов и вертолётов, и в качестве источника механической энергии, например, воздушный винт у ветрогенераторов, так и конструкция представленного изобретения на основе мгновенно вращательной пластины может использоваться не только в качестве движителя, но и в качестве источника механической энергии.

Представленный движитель имеет такое свойство, что все его лопасти (пластины) во время своего движения меняют величину своей площади Миделя, но эти значения площади Миделя оказываются постоянными для каждого своего конкретного направления движения лопасти. При движении пластины (лопасти) в направлении, совпадающем, с направлением движения текучей среды площадь Миделя пластины всегда имеет своё максимальное значение, при движении пластины против движения текучей среды площадь Миделя пластины всегда имеет своё минимальное значение. Так как площадь Миделя для разных направлений движения пластины оказывается разной, разной будет и сила давления потока на пластины для этих направлений, но постоянной для одних и тех же положений пластины относительно направления потока этой среды. Равнодействующая этих сил давления среды на лопасти (пластины), усредненная по времени, оказывается направленной по ходу движения текучей среды, вызывая вращение лопастей в определённом направлении.

В ситуации, когда конструкция представленного движителя неподвижно закреплена в потоке текучей среды, на лопасти движителя действуют силы давления потока среды, это давление приводит в движение лопасти (гребные пластины) движителя. Эти лопасти на своих концах имеют шестерни, которые входят в состав зеркально-симметричного механизма зубчатой передачи, благодаря чему, движение лопасти преобразуется во вращательное движение зубчатых дисков, которые в свою очередь сопряжены с приводными шестернями. Приводные шестерни расположены на осях синхронизации, вращение приводных шестерёнок приводит к вращению осей синхронизации. Таким образом, движение лопастей, вызванное действием на них сил энергии потока окружающей среды, преобразуется во вращение (вращательное движение) осей синхронизации движителя, т. е. происходит трансформация кинетической энергии текучей среды в механическую энергию осей синхронизации. К осям синхронизации подсоединяются потребители механической энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность вышеописанного изобретения наглядно иллюстрируется фигурами чертежей 1-7 на примере конкретных форм воплощения.

На фиг.1 изображен диск 1 (зубчатый диск), который вращается вокруг своего центра О с угловой скоростью ω1 и гребная пластина 2, которая вращается относительно своей оси В, с угловой скоростью ω2. Угловые скорости ω1 и ω2 противоположно направлены, причём ω2 = ½ ω1.

На фиг. 2 изображены этапы положений гребной пластины 2 во время первого оборота диска 1.

Фиг. 3 показывает положение пластины 2 во время второго оборота диска 1.

Фиг. 4 изображает фронтальный вид отдельного элемента зеркально-симметричного механизма зубчатой передачи движителя.

На фиг.5 изображен вид с верху отдельного элемента зеркально-симметричного механизма зубчатой передачи движителя.

Фиг.6 изображает фронтальный вид многоэлементной конструкции зеркально-симметричного механизма движителя.

Фиг.7 изображает вид с верху многоэлементной конструкции зеркально-симметричного механизма 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.

При вращении диска 1 (фиг.1) вокруг своего центра О, с угловой скоростью ω1. Вместе с диском 1 вращается, и гребная пластина 2 собственная ось вращения В которой крепится на диске 1. Гребная пластина 2 совершает сложное вращение относительно двух параллельных осей О и В. Одно вращение гребная пластина 2 совершает вместе с диском 1 вокруг центра О, второе вращение пластина 2 совершает вокруг собственной оси В. Вращения пластины 2 вокруг оси О и оси В противоположно направлены, а угловая скорость ω1 в два раза больше чем ω2 в связи с чем, за один полный оборот диска 1 вокруг оси О, пластина 2 совершает только половину оборота вокруг своей оси В. Полный оборот пластина 2 вокруг своей оси В совершает за 720° поворота диска 1 (за два полных оборота диска 1). При вращении диска 1 закреплённая на нём гребная пластина 2 занимает определённые положения, фиг. 2 показывает положение пластины 2 при повороте на 45°, 90° и так далее с шагом в 45° до полного своего оборота при 360°. Положение поверхностей I и II гребной пластины 2 изменяется в зависимости от угла поворота диска 1.

Когда диск 1 начинает совершать второй полный оборот вокруг своей оси О (Фиг. 3) с угла поворота 360°, и далее с шагом 45°, до окончания второго оборота, когда угол равен 720°. Гребная пластина 2 начинает совершать свой второй полуоборот. В процессе второго оборота диска 1 гребная пластина будет занимать те же положения, когда диск 1 совершал свой первый оборот с той лишь разницей, что поверхности пластины I и II меняются местами. При третьем обороте диска 1, пластина 2 и её поверхности будут занимать точно такие же положения, какие занимали при первом обороте (от 0° до 360°). При четвёртом обороте диска 1, пластина 2 и её поверхности будут занимать точно такие же положения, какие занимали при втором обороте диска 1 (от 360° до 720°). И далее, чередуя чётные и нечётные числа оборотов диска 1, пластина 2 будет поочерёдно занимать указанные положения. В процессе такого сложного вращения гребная пластина 2, изменяет своё положение относительно направления своего движения, то она движется своим тонким ребром вперёд, то её широкая поверхность расположена навстречу своему движению, между этими положениями она располагается с некоторым разворотом по направлению к своему движению. Меняя своё положение, пластина 2 меняет свою площадь Миделя по отношению к направлению своего движения, в связи с чем изменяется величина лобового сопротивления движению. Но для каждого своего конкретного положения относительно центра вращения диска 1, пластина 2 занимает определённый постоянный наклон к направлению своего движения и поэтому имеет постоянную величину площади Миделя для данной точки своего положения. При углах положения диска 1 от 315° до 45° фиг.2 и от 675° до 405° фиг.3, гребная пластина движется в текучей среде с минимальным лобовым сопротивлением (ребром в перёд), создавая минимальную силу реакции среды. При углах от 135° до 225° фиг.2 и от 495° до 585° фиг.3, гребная пластина движется в текучей среде с максимальным лобовым сопротивлением (широкой поверхностью в перёд), создавая максимальную силу реакции среды. При других углах положения диска 1 и соответственно разных расположений гребной пластины 2 к направлению своего движения, сила реакции среды будет принимать промежуточные значения от больших до слабых в зависимости от величины площади Миделя пластины 2. В целом при таком своём движении пластина 2 совершает гребные движения, отталкивая окружающую текучую среду в определённом направлении.

Совершая сложно вращательное движение гребная пластина 2 испытывает действие сил реакции текучей среды, различных по величине и направлению. Усредненная по времени равнодействующая сил, действующих на гребную пластину 2, оказывается направленной в определённую сторону, что и приводит к возникновению направленной силы тяги.

Реализация мгновенно вращательного движения гребной пластины 2 осуществляется за счёт диска 1 и механизма зубчатой передачи с шестернями 3, 4 и 5 (фиг. 4). Работает данный механизм следующим образом. Зубчатое колесо 3 жёстко закреплена к корпусу К и не вращается (фиг. 4). Зубчатое колесо 4 входит в зацепление с колесами 3 и 5, и способно вращаться вокруг своей оси Д, которая находится на диске 1. Зубчатое колесо 5 входит в зацепление с колесом 4 и совершает вращение относительно своей оси В, закрепленной на диске 1. Гребная пластина 2 жёстко закреплена с зубчатым колесом 5 и вместе с ним совершает вращательное движение вокруг оси В. Диск 1вращается вокруг оси О, на диске 1 находятся оси Д и В вокруг которых вращаются зубчатые колёса 4 и 5 соответственно. Угловая скорость ω1 диска 1 противоположна по направлению к угловой скорости ω2 зубчатого колеса 5, и в два раза превышает его значение. Для более эффективной работы движителя и заполнения свободного пространства на диске 1 целесообразно разместить несколько гребных пластин, в данном случае на диске 1 две пластины: 2 и 2а. Механизм зубчатой передачи второй гребной пластины 2а аналогичен механизму зубчатой передачи первой гребной пластины 2. Зубчатое колесо 6 входит в зацепление с зубчатыми колесами 3 и 7, ось вращения Д1 колеса 6 крепиться на диске 1. Зубчатое колесо 7 входит в зацепление с колесом 6, и вращается вокруг собственной оси В1 закреплённой на диске 1. К зубчатому колесу 7 прикреплена гребная пластина 2а которая также вращается вокруг оси В1. Так как у гребной пластины её длина намного больше чем её ширина, что бы при движении в текучей среде пластина не загибалась оба её конца закреплены к аналогичным шестерням механизмов зубчатых колёс. Эти механизмы зеркально-симметричны и расположены по двум сторонам пластины и удалены на одинаковое расстояние относительно оси Е проходящую через середину пластины (фиг. 5). Для увеличения движущей силы вырабатываемой движителем, целесообразно применять несколько синхронно работающих гребных пластин. Что бы диски 1 на которых располагаются механизмы зубчатых передач вращались совместно они имеют собственные зубчатые элементы (на чертеже не показаны), которыми они входят в совместное зацепление друг с другом создавая сопряжённую пару, такие диски называются зубчатыми дисками 1 (фиг. 6 и фиг. 7.). На чертежах диск 1 и зубчатый диск 1 имеют одинаковое смысловое и функциональное значение.

У движителя все зубчатые диски 1 имеют одинаковый размер, модуль, делительный диаметр и являются зубчатыми колёсами (шестернями). В данной конструкции все зубчатые диски 1 посредством друг друга объединены в общий массив, благодаря чему все зубчатые диски 1 поворачиваются одновременно на одинаковый угол и с одинаковой угловой скоростью, но каждый в свою сторону. Оси вращения всех зубчатых дисков1 закреплены на корпусе К. Помимо зубчатых дисков 1 на которых расположены механизмы зубчатых передач с гребными пластинами, движитель содержит приводные шестерни 8, которые имеют одинаковые параметры (модуль, число зубьев, делительный диаметр) с зубчатыми дисками 1. Приводные шестерни 8 располагаются по краям осей синхронизации 9. Оси синхронизации 9 закреплены в корпусе К с возможностью вращения. Оси 9 в качестве источника механической энергии имеют собственные электродвигатели (на рисунке не показаны). Электродвигатели установлены с двух концов осей синхронизации 9. Электродвигатели вращают оси синхронизации 9 на которых крепятся шестерни 8 входящие в зацепление с зубчатыми дисками 1. Так как, все зубчатые диски 1 входят, друг с другом в зацепление они создают единый массив, у которого все зубчатые диски 1 одновременно совершают поворот на одинаковый угол (но каждый диск в свою сторону) и с одинаковой угловой скоростью. Оси синхронизации 9 ведущих шестерёнок 8 проходят через всю длину движителя, согласовывая между собой два массива зубчатых дисков 1 симметрично расположенных по двум сторонам гребной пластины 2, синхронизируя работу симметрично-зеркального механизма зубчатой передачи.

При производстве движителя целесообразно использовать легкие и прочные материалы, такие как: алюминиевые сплавы, стеклопластики, композитные материалы и т.п. В данном случае, для корпуса выбран алюминиевый уголок 40х20 мм, в качестве гребных пластин можно использовать карбоновую пластину 0,8х25,4 мм. Необходимые шестерни можно приобрести в интернет магазинах, где они широко представлены, либо распечатать на 3-D принтере. Модельный ряд электродвигателей так же очень широк, в данном случае можно применить электродвигатель RK-370PH-4736/45 DC motor 12 вольт, 44 000 об/мин. В качестве регулятора числа оборотов электродвигателя можно применить контроллер коллекторного двигателя BMD от компании "Электропривод".

Благодаря наличию множества электродвигателей, а также наличию взаимосвязанного массива зубчатых колёс, даже поломка с одновременным выходом из строя нескольких элементов конструкции не приведёт к трагическим последствиям, а только повлияет на мощность вырабатываемой силы тяги.

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.

Изобретение относится к движителям, предназначенным для создания силы тяги в текучих средах. Движитель на основе мгновенно вращательной гребной пластины содержит сложно вращающуюся гребную пластину, способную во время своего движения изменять величину своей площади Миделя от возможно минимального до возможно максимального, а следовательно, изменять и силу лобового сопротивления при разных направлениях своего движения; зеркально-симметричный механизм зубчатой передачи, который обеспечивает мгновенно вращательное движение гребной пластине; синхронизатор, обеспечивающий синхронную согласованную работу двух частей зеркально-симметричного механизма зубчатой передачи; несколько источников механической энергии для повышения надёжности работы движителя. Применение конструкции движителя на основе мгновенно вращательной гребной пластины осуществляется при фиксированном положении самой конструкции движителя в текучей среде с ненулевой скоростью потока среды. Достигается выработка направленной силы тяги в однородной текучей среде. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Движитель на основе мгновенно вращательной гребной пластины относится к классу движителей, отличающийся тем, что содержит сложно вращающуюся гребную пластину, способную во время своего движения изменять величину своей площади Миделя от возможно минимального до возможно максимального, а следовательно, изменять и силу лобового сопротивления при разных направлениях своего движения, однако, сохраняя эту величину неизменной для одного и того же своего положения; зеркально-симметричный механизм зубчатой передачи, который обеспечивает мгновенно вращательное движение гребной пластине; синхронизатор, обеспечивающий синхронную согласованную работу двух частей зеркально-симметричного механизма зубчатой передачи; несколько источников механической энергии для повышения надёжности работы движителя.

2. Применение конструкции движителя на основе мгновенно вращательной гребной пластины в качестве источника механической энергии при фиксированном положении самой конструкции движителя в текучей среде с ненулевой скоростью потока среды.