Ускоритель потока текучей среды Российский патент 2023 года по МПК F03G7/04 

Изобретение относится к области технических средств, применяемых в аэро- и гидродинамике для регулирования скорости потока текучих сред, жидких и газообразных, предпочтительно, потока воздуха, и может быть использовано в энергетике, а также других областях техники.

При характеристике разработанного технического решения в дальнейшем будут использованы следующие термины - утолщенный, закругленный, заостренный.

В рамках настоящей заявки:

- утолщенный означает несколько увеличенный в толщину;

- закругленный означает округлый, имеющий кругловатую форму;

- заостренный означает суживающийся к концу;

- выпукло-вогнутый профиль означает аэродинамический профиль крыла, хорда которого, по меньшей мере, частично, выходит за сечение профиля;

- двояко выпуклый профиль означает аэродинамический профиль крыла, хорда которого полностью лежит внутри сечения профиля;

Типичными примерами выпукло-вогнутых профилей являются профили GOE 118 (MVA MK7) Airfoil, GOE 801 (MVA 301) Airfoil, NACA 6409 9%, GOE 462 Airfoil, GOE 802 Airfoil, NACA 6412 - по справочнику авиационных профилей https://m-selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html.

Типичными примерами двояко-выпуклых профилей являются В-29 Root Airfoil, Boeing 707.54 Span Airfoil, Boeing 737 Outboard Airfoil, HQ 1.0/12 Airfoil, GOE 775 Airfoil, NACA 67,1-215, RAE 102 Airfoil, SD8020-010-88 - по справочнику авиационных профилей https://m-selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html.

Известен (RU, патент 82276, опубл. 20.04.2009) ускоритель потока текучих сред. Известный ускоритель потока содержит первый элемент в форме усеченного конуса или многогранника, описанного вокруг усеченного конуса, диаметр меньшего основания которого равен 0,5-120 м, диаметр большего основания равен 0,55-150 м при высоте усеченного конуса 0,1-50 м, при этом образующая конуса представляет собой вогнутую в сторону центральной оси конуса кривую или ломаную линию, построенную вдоль кривой, и второй элемент в форме усеченного конуса или многогранника, описанного вокруг усеченного конуса, диаметр меньшего основания которого равен 0,5-120 м, диаметр большего основания равен 0,55-150 м при высоте усеченного конуса 0,25-80 м, образующая конуса представляет собой вогнутую в сторону центральной оси конуса кривую или ломаную линию, построенную вдоль кривой, указанные элементы обращены друг к другу меньшими основаниями, причем между первым и вторым элементом находится расположенный снаружи дополнительный элемент в виде усеченного конуса или многогранника, описанного вокруг усеченного конуса, диаметр меньшего основания дополнительного элемента равен 0,5-125 м, диаметр большего основания дополнительного элемента 0,7-200 м при высоте усеченного конуса дополнительного элемента 0,25-100 м, при этом высота первого элемента всегда меньше высоты дополнительного элемента, а диаметр большего основания первого элемента всегда меньше диаметра большего основания дополнительного элемента.

Недостатком известного ускорителя следует признать недостаточную скорость потока после ускорителя, а также особенность конструкции, обусловленная применением всего одного тела вращения - усеченного конуса.

Известен также (RU, патент 2362904, опубл. 27.07.2009) ускоритель потока, содержащий, по меньшей мере, первый элемент, по меньшей мере, две поверхности которого предпочтительно расположены параллельно, причем каждая из указанных параллельных поверхностей представляет собой окружность или многоугольник, выполненный вокруг окружности, при этом диаметры окружностей не равны, при сечении окружностей плоскостью, проходящей через прямую, соединяющую центры указанных окружностей, причем указанная прямая лежит в этой плоскости, точка О, соответствующая месту пересечения плоскостью окружности меньшего диаметра и принятая за точку отсчета - точку начала двухмерной системы координат, причем ось абсцисс ОХ направлена по плоскости параллельно прямой, соединяющей центры указанных окружностей в сторону окружности большего диаметра, ось ординат OY направлена перпендикулярно оси абсцисс ОХ по плоскости в сторону от прямой, соединяющей центры указанных окружностей, и точка М, соответствующая месту пересечения той же плоскостью окружности большего диаметра, расположены по одну сторону плоскости, относительно прямой, соединяющей центры указанных окружностей, и точки О и М связаны соотношением, согласно которому координаты точки М в этой плоскости расположены выше оси абсцисс ОХ и правее оси ординат OY в области, ограниченной с одной стороны дугой АВ окружности радиуса R₁=0,6D, причем D равно диаметру меньшей окружности, со второй стороны отрезком ВС прямой, которая параллельна оси абсцисс ОХ и расположена выше нее на расстоянии 0,7D, с третьей стороны ограниченной дугой СЕ окружности радиуса R₂=2,0D и с четвертой стороны ограничена отрезком ЕА прямой, которая параллельна оси абсцисс ОХ и расположена выше нее на расстоянии 0,1D, причем центры окружностей с радиусами R₁ и R₂ находятся на положительной полуоси оси ординат OY, на расстоянии, соответственно 0,6D и 2,0D от точки О начала координат.

Недостатком известного ускорителя следует признать недостаточную скорость потока внутри ускорителя, а также конструктивную ограниченность, обусловленную применением элемента, две поверхности которого, предпочтительно, параллельны и представляют собой окружности или многоугольники, выполненные вокруг окружности, хотя технический результат можно достичь и при применении вместо окружности других замкнутых линий, - эллипса, овала и т.д.; а также недостатком этого ускорителя является конструктивная ограниченность вариантов совмещения элементов. Так, второй элемент конструктивно всегда прилегает к первому элементу. Еще одним недостатком этого ускорителя следует признать ограниченную возможность по увеличению скорости потока и увеличению возможной мощности разработанного на его основе энергетического устройства, например, - ветрогенератора.

Наиболее близким аналогом разработанной конструкции можно признать (RU, патент 99080, опубл. 10.11.2010) ускоритель потока, состоящий, по меньшей мере, из трех элементов, каждый из которых содержит поверхность, состоящую из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, причем образующая выполнена с возможностью изменения размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей линии, при этом, по меньшей мере, одна из направляющих линий, выполнена как набор, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии, или многогранник, выполненный вокруг поверхности или вписанный в поверхность, состоящей из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, причем образующая выполнена с возможностью изменения своих размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей, при этом направляющая линия выполнена как набор, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии, начальная образующая первого элемента имеет меньшую длину, чем конечная образующая первого элемента, длина направляющей первого элемента не более чем в 200 раз больше длины начальной образующей первого элемента, начальная образующая второго элемента имеет меньшую длину, чем конечная образующая второго элемента, длина конечной образующей второго элемента больше, чем длина конечной образующей первого элемента, длина направляющей второго элемента не более чем в 200 раз больше длины образующей второго элемента самой меньшей длины, начальная образующая третьего элемента имеет меньшую длину, чем конечная образующая третьего элемента, длина конечной образующей третьего элемента меньше, чем длина конечной образующей второго элемента, длина направляющей третьего элемента не более чем в 200 раз больше длины начальной образующей третьего элемента.

Как известно, полезная мощность ветрогенератора пропорциональна площади, ометаемой ротором ветрогенератора поверхности и пропорциональна скорости потока в третьей степени. Поэтому, для того, чтобы увеличить мощность возможного устройства, необходимо «собрать» набегающий поток с возможно большей площади/объема и направить его на ротор с возможно большей скоростью. Для этого большинство ускорителей потока делают таким образом, что входная часть таких ускорителей обычно имеет большую площадь в сечении, перпендикулярном набегающему потоку, чем площадь сечения в месте возможной установки ротора ветрогенератора, т.е. входная часть таких устройств обычно является конфузором, в котором скорость потока и динамическое давление увеличиваются, а статическое давление уменьшается. Для локального увеличения скорости потока совместно с конфузором также применяют диффузор, в котором происходит постепенное замедление (расширение) потока и увеличение давления. Комбинация конфузора и диффузора может работать эффективно при условии отсутствия срывов потока внутри устройства. Любой срыв потока ведет к увеличению сопротивления и торможению всего потока. Для того чтобы избежать срыва потока, конфузор и диффузор обычно делают вытянутыми и гладкими, придавая им максимально обтекаемую форму. При таком подходе линейные размеры подобных ускорителей могут быть весьма значительными. Помимо безотрывного протекания внутри устройства необходимо добиться безотрывного обтекания снаружи устройства. При этом увеличение входного сечения конфузора может привести к срыву потока на передней кромке устройства. Поскольку разработанный ускоритель потока (RU, патент 2362904) имеет фактически совпадающую по кривизне внутреннюю и внешнюю поверхность входного элемента, он имеет ограниченную возможность по увеличению площади входного сечения без риска срыва потока на передней кромке ускорителя и, как следствие, -ограниченную возможность по увеличению скорости потока.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что технические решения, используемые в качестве аналогов настоящего изобретения, являются лишь частными случаями более общего технического решения.

Техническая проблема, решаемая путем использования разработанного устройства, состоит в обеспечение возможности локального увеличения скорости потока текучей среды при одновременном уменьшении линейных размеров устройства и, дополнительно, в расширении применимости разных конструкционных элементов.

Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в расширении возможности использования природных и техногенных потоков текучих сред с низкой кинетической энергией в различных областях техники, а также в расширении конструктивных возможностей при построении устройства.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный ускоритель потока текучей среды, состоящий из трех элементов, первый и второй из которых содержат поверхности, состоящие из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, выполненной в виде выпукло-вогнутого аэродинамического профиля крыла, выпуклой стороной обращенной внутрь ускорителя, с утолщенной закругленной передней кромкой, обращенной навстречу набегающему потоку и заостренной задней кромкой, причем образующая выполнена с возможностью изменения размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей линии, при этом направляющая линия состоит из, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии, или представляет собой, по меньшей мере, один многогранник, выполненный, по меньшей мере, частично, вокруг поверхности или вписанный, по меньшей мере, частично, в поверхность, состоящую из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, выполненной в виде выпукло-вогнутого аэродинамического профиля крыла, выпуклой стороной, обращенной внутрь ускорителя, с утолщенной закругленной передней кромкой, обращенной навстречу набегающему потоку и заостренной задней кромкой, причем образующая выполнена с возможностью изменения своих размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей линии, при этом направляющая линия состоит из, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии, третий элемент содержит поверхность, состоящую из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, выполненной в виде выпукло-вогнутого или плоско-выпуклого или двояко-выпуклого аэродинамического профиля крыла, выпуклой или одной из выпуклых сторон обращенной внутрь ускорителя, с утолщенной закругленной передней кромкой, обращенной навстречу набегающему потоку и заостренной задней кромкой, причем образующая выполнена с возможностью изменения размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей линии, при этом направляющая линия состоит из, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии, или представляет собой, по меньшей мере, один многогранник, выполненный, по меньшей мере, частично, вокруг поверхности или вписанный, по меньшей мере, частично, в поверхность, состоящую из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, выполненной в виде выпукло-вогнутого или плоско-выпуклого или двояко-выпуклого аэродинамического профиля крыла, выпуклой или одной из выпуклых сторон обращенной внутрь ускорителя, с утолщенной закругленной передней кромкой, обращенной навстречу набегающему потоку и заостренной задней кромкой, причем образующая выполнена с возможностью изменения своих размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей линии, при этом направляющая линия состоит из, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии, длина образующей первого элемента больше, чем длина образующей второго элемента, длина образующей второго элемента больше длины образующей третьего элемента, длина направляющей первого элемента меньше длины направляющей второго элемента, длина направляющей второго элемента меньше длины направляющей третьего элемента.

В некоторых вариантах реализации разработанного устройства направляющая может представлять собой замкнутую линию, в том числе окружность.

На фиг. 1 приведен внешний вид ускорителя в простейшем варианте реализации, на фиг. 2 представлен разрез ускорителя в простейшем варианте реализации плоскостью, проходящей через ось симметрии ускорителя. На графическом материале использованы следующие обозначения первый элемент 1, второй элемент 2, третий элемент 3.

Элементы соединены между собой любым известным, обеспечивающим работоспособность ускорителя, способом (пайка, сварка, и т.д.).

Элементы ускорителя могут быть выполнены из металлического, полимерного, фанерного листа, пленки, ткани или комбинации указанных материалов.

Ускоритель разработанной конструкции работает следующим образом.

Сечение разработанного устройства, в простейшем варианте реализации, является сечением выпукло-вогнутого аэродинамического профиля крыла с двумя закрылками, расположенными последовательно друг за другом. От верхней выпуклой линии сечения профиля на некотором расстоянии находится воображаемая ось симметрии. Вращением сечения выпукло-вогнутого аэродинамического профиля с двумя закрылками вокруг этой воображаемой оси симметрии образуется ускоритель потока в простейшем варианте реализации.

Тогда в таком варианте реализации первый элемент по ходу движения потока можно представить как комбинацию конфузора и диффузора, конфузором обращенную навстречу набегающему потоку. Набегающий со скоростью, например, 5 м/с, поток входит в конфузор, сжимается, разгоняется до скорости выше 15 м/с и, после этого, расширяясь, выходит из диффузора.

Также, в подобном варианте реализации, 1-ый элемент можно представить как тело вращения, образованное вращением сечения плоского выпукло-вогнутого аэродинамического профиля вокруг оси, лежащей в той же плоскости и отстоящей от верхней дужки профиля на некотором расстоянии.

В районе выхода из диффузора 1-го элемента, снаружи от него, на некотором расстоянии от 1-го элемента, располагается 2-ой элемент, сечение которого также представляет собой выпукло-вогнутый аэродинамический профиль, выпуклой частью обращенный внутрь ускорителя, передней кромкой навстречу потоку. Поток, обтекающий снаружи 1-ый элемент, обтекает 2-ой элемент, частично соединяясь с потоком, выходящим из 1-го элемента. 2-ой элемент в устройстве выполняет двойную функцию: своей внешней стороной он служит дополнительным средством направления потока внутрь ускорителя, как бы создавая препятствие на пути потока, а внутренней стороной как бы поджимает поток, сходящий с задней кромки 1-го элемента, не давая потоку слишком расшириться.

В этом варианте реализации 2-ой элемент также можно представить как тело вращения, образованное вращением сечения плоского выпукло-вогнутого аэродинамического профиля вокруг оси, лежащей в той же плоскости и отстоящей от верхней дужки профиля на некотором расстоянии. При этом длина хорды профиля, образующего 2-ой элемент, меньше длины хорды, образующей 1-ый элемент.

В районе выходной части 2-го элемента, снаружи от него, на некотором расстоянии от 2-го элемента, располагается 3-ий элемент, сечение которого предпочтительно представляет собой выпукло-вогнутый аэродинамический профиль, выпуклой частью обращенный внутрь ускорителя, передней кромкой навстречу потоку. Но сечение 3-го элемента также может представлять собой двояко-выпуклый профиль или плоско-выпуклый профиль. Поток, обтекающий снаружи 2-ой элемент, обтекает 3-ий элемент, частично соединяясь с потоком, выходящим из 2-го элемента. В простейшем варианте реализации 3-ий элемент также можно представить как тело вращения, образованное вращением сечения плоского аэродинамического профиля вокруг оси, лежащей в той же плоскости и отстоящей от верхней дужки профиля на некотором расстоянии. При этом длина хорды профиля, образующего 3-ий элемент, меньше длины хорды, образующей 2-ой элемент. Профиль, образующий 3-ий элемент может быть как выпукло-вогнутым, так и двояко-выпуклым или плоско-выпуклым.

3-ий элемент в устройстве также выполняет двойную функцию: своей внешней стороной, он служит дополнительным средством направления потока внутрь ускорителя, как бы создавая еще одно дополнительное препятствие на пути потока, а внутренней стороной как бы поджимает поток, сходящий с задней кромки 2-го элемента, не давая потоку слишком расшириться.

Таким образом, совместная работа всех трех элементов обеспечивает достаточное количество среды, направляемой внутрь ускорителя, а также обеспечивает безотрывность потока, выходящего из ускорителя.

Такая комбинация профилей необходима для безотрывного протекания потока и получения максимального разгона скорости внутри ускорителя. Расчетные эксперименты показали, что такая комбинация профилей обеспечивает безотрывное протекание потока и получение максимального разгона скорости внутри ускорителя.

В простейшем варианте реализации поверхность ускорителя представляет собой гладкую поверхность, т.к. она представляет собой тела вращения, которые являются гладкими.

На практике возможна конструкция ускорителя, поверхность которого образована не гладкими поверхностями аэродинамических профилей, а многогранниками, которые описаны вокруг гладких поверхностей, образованных вращением аэродинамических профилей или многогранниками, которые вписаны в поверхности, образованные вращением аэродинамических профилей. Конструктивно такой вариант проще в изготовлении.

Реализация разработанного устройства позволит увеличить локальное увеличение скорости текучей среды более чем в 3 раза, в то время как ближайший аналог обеспечивает увеличение скорости текучей среды всего в 2 раза при одновременном уменьшении размеров устройства. Устройство применимо для жидких и газообразных текучих сред.

Изобретение относится к области технических средств, применяемых в аэро- и гидродинамике для регулирования скорости потока текучих сред, жидких и газообразных, предпочтительно, потока воздуха, и может быть использовано в энергетике, а также других областях техники. Ускоритель состоит из 3 соединенных между собой элементов. Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в расширении возможности использования природных и техногенных потоков текучих сред с низкой кинетической энергией в различных областях техники, а также в расширении конструктивных возможностей при построении устройства. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ускоритель потока текучей среды, отличающийся тем, что он состоит из трех элементов, первый и второй из которых содержат поверхности, состоящие из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, выполненной в виде выпукло-вогнутого аэродинамического профиля крыла, выпуклой стороной обращенной внутрь ускорителя, с утолщенной закругленной передней кромкой, обращенной навстречу набегающему потоку и заостренной задней кромкой, причем образующая выполнена с возможностью изменения размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей линии, при этом направляющая линия состоит из, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии, или представляет собой, по меньшей мере, один многогранник, выполненный, по меньшей мере, частично, вокруг поверхности или вписанный, по меньшей мере, частично, в поверхность, состоящую из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, выполненной в виде выпукло-вогнутого аэродинамического профиля крыла, выпуклой стороной, обращенной внутрь ускорителя, с утолщенной закругленной передней кромкой, обращенной навстречу набегающему потоку и заостренной задней кромкой, причем образующая выполнена с возможностью изменения своих размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей линии, при этом направляющая линия состоит из, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии, третий элемент содержит поверхность, состоящую из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, выполненной в виде выпукло-вогнутого или плоско-выпуклого или двояко-выпуклого аэродинамического профиля крыла, выпуклой или одной из выпуклых сторон обращенной внутрь ускорителя, с утолщенной закругленной передней кромкой, обращенной навстречу набегающему потоку и заостренной задней кромкой, причем образующая выполнена с возможностью изменения размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей линии, при этом направляющая линия состоит из, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии, или представляет собой, по меньшей мере, один многогранник, выполненный, по меньшей мере, частично, вокруг поверхности или вписанный, по меньшей мере, частично, в поверхность, состоящую из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, выполненной в виде выпукло-вогнутого или плоско-выпуклого или двояко-выпуклого аэродинамического профиля крыла, выпуклой или одной из выпуклых сторон обращенной внутрь ускорителя, с утолщенной закругленной передней кромкой, обращенной навстречу набегающему потоку и заостренной задней кромкой, причем образующая выполнена с возможностью изменения своих размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей линии, при этом направляющая линия состоит из, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии, длина образующей первого элемента больше, чем длина образующей второго элемента, длина образующей второго элемента больше длины образующей третьего элемента, длина направляющей первого элемента меньше длины направляющей второго элемента, длина направляющей второго элемента меньше длины направляющей третьего элемента.

2. Ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что направляющая представляет собой замкнутую линию.

3. Ускоритель по п. 2, отличающийся тем, что направляющая представляет собой окружность.