ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
к патенту Российской Федерации

РЕАКТИВНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ

ПРОТОТИП
(тоже мой. Рисунки приведены выше.)

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в качестве движителя с колебательным перемещением рабочего органа. Сущность изобретения заключается в том,  что в движителе, содержащем камеру прямоугольного сечения с расположенной в ней пластиной, один из концов которой шарнирно присоединен к тяге с возможностью качания пластины, другой конец пластины и сама камера шарнирно прикреплены к корпусу транспортного средства с возможностью передачи камере качательных движений. Камера может быть разделена параллельными перегородками на ряд камер, в каждой которых помещена пластина. Использование изобретения улучшает эксплуатационные характеристики движителя и обеспечивает универсальность его применения.         

1 з.п.ф-лы, 3 ил.

           Изобретение относится к транспортному конструированию, а именно к устройствам создания реактивной тяги, и может найти применение как движитель на судне,

на летательном аппарате, на наземном транспорте и др.

           Известно устройство по авт.св. СССР № 1761590. кл.В 63 Н   1/04, Судовой движитель «ДЯ», 15.09.92. Оно содержит пластину, жестко закрепленную концами в открытой с торцов камере прямоугольного сечения. Передний конец пластины закреплен совместно с двумя располагающимися с обеих сторон пластины упругими лепестками, выполняющими роль отсечных клапанов части входного отверстия. Привод соединен с креплением переднего конца пластины.

           Недостатки движителя следующие:

           -  в начале работы, когда при повороте переднего конца пластины и отсечных клапанов входное отверстие еще не перекрыто, имеет место вытеснение части среды на входное отверстие, что снижает коэффициент использования;

           -  невозможность осуществления реверса без дополнительных устройств;

        -  снижение эффективности использовании его в газовых средах, что связано со сжимаемостью газа;

-         изменение режима работы с изменением скорости набегающего потока, так как упругие свойства пластины неизменны, а противодействие перемещению части пластины зависит от скорости набегающего потока;

-  сравнительно узкий частотный диапазон, связанный с упругими и геометрическими параметрами пластины.

           Известен реактивный прямоточный движитель "Гидроимпульс" фирмы Рено (" Крыло под водой", ж. Моделист-Конструктор, N 2, 1982, с.12,13). Он содержит размещенную в камере прямоугольного сечения пластину с профилем крыла, в передней трети шарнирно подсоединенную к тяге. Камера жестко соединена с корпусом судна.

           Недостатки движителя следующие:

            - ввиду особенностей конструкции (одна тяга и два свободных конца рабочего органа) при движении по крайней мере в одну из сторон воздействие потока среды на крыло приводит к тому, что объем среды, вытесняемой крылом из камеры, уменьшается;

             -  невозможность осуществления реверса без дополнительных устройств;

             - снижение эффективности его использования в газовых средах, что связано со сжимаемостью среды.

             Известно устройство по авт.св. СССР № 1466986, кл.В 63 Н    1/02, 1/36, Водометный движитель, 23.03.89. Оно содержит пластину, размещенную в камере прямоугольного сечения, открытой с обоих торцов. Пластина в первой трети шарнирно связана с тягой, а также к пластине шарнирно прикреплен закрылок. Кроме того, имеется специальный механизм реверсивного хода, снабженный подпружиненными защелками, установленными на боковых стенках камеры со стороны носовой и кормовой кромок пластины и поочередно взаимодействующими с носовой и кормовой кромками пластины.

           Недостатки этого движителя следующие:

       - невысокие эксплуатационные характеристики ввиду неопределенности режима работы движителя, связанные с тем, что в начальном этапе работы пластина поворачивается за счет сил инерции и гидродинамических сил, которые в значительной мере зависят от скорости набегающего потока;

            - пассивная роль закрылка сужает частотный диапазон работы и исключает использование движителя в газовой среде;

            -   значительное усложнение конструкции для достижения реверса;

            -   реверс не может быть полным, т.е. невозможно достичь максимальной силы тяги, приложенной в противоположном первоначальному движению направлении.

            Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик и универсализация использования.

            Эта цель достигается тем, что пластина размещена в камере прямоугольного сечения с открытыми торцами, с возможностью плотного прилегания к противоположным поверхностям камеры и перемещения в ней в направлении ортогональном пластине. Пластина шарнирно соединена с тягой. Камера и один конец пластины вне камеры шарнирно подсоединяются к корпусу или несущей поверхности транспортного средства, а пластина шарнирно соединена с тягой вторым своим концом с возможностью передачи качательных движений камере и перемещения в камере с малыми зазорами. Реактивный движитель может быть выполнен в виде камеры с одинаковыми параллельными ячейками (камерами), в которых размещены пластины.

            Улучшение эксплуатационных характеристик включает следующее:

            -    упрощение конструкции;

            -    повышение КДП (снижение потерь);

            -    повышение маневренности (управляемость).

            Простота движителя очевидна:   кроме трех шарнирных подсоединений конструкция в отличие от прототипа не содержит дополнительных устройств (упоров, защелок, пластинчатых пружин, рычагов) для обеспечения работы.

            Возможность передавать карательные движения камере позволяет использовать только одну тягу для работы движителя  и полного вытеснения среды в объеме камеры (камер) за полуцикл работы.

            Отсутствуют потери, связанные с гидродинамическими сопротивлением собственно пластины в начальной стадии работы (в прототипе). В предлагаемом устройстве перемещения (качания) пластины и камеры целиком определяются приводом и не требуют затрат гидродинамических сил, так как отсутствуют моменты пассивного перемещения движителя.

             Отсутствие пассивных перемещений движителя определяет управляемость транспортного средства с предлагаемым движителем. Движитель позволяет следующее:

             -   быстро менять силу тяги, меняя частоту перемещения (качания);

             - быстро изменять направление следования транспортного средства, изменяя угол между продольными осями симметрии движителя и транспортного средства;

             - осуществить мгновенный полный реверс, изменив функциональное назначение концов пластины.

            Перемещения с малыми зазорами пластины внутри камеры и отсутствие пассивных перемещений движителя определяет полное вытеснение среды в объеме камеры (за полуцикл работы). Это определяет возможность применения движителя и для работы в газовых (сжимаемых) средах, т.е. универсализацию движителя.

         Секционирование движителя позволяет расширить частотный диапазон работы движителя, а это повышает маневренность транспортного средства и снижает потери за счёт увеличения возможности оптимизации работы движителя.

             На фиг. 1 (рисунки приведены в основном патенте, нумерация совпадает) изображен схематический чертеж реактивного движителя; на фиг. 2 — схема перемещения реактивного движителя; на фиг. 3 схематический чертеж секционированного (многоканального) реактивного движителя.

            На фиг. 1 изображен реактивный движитель, состоящий из камеры прямоугольного сечения 1 с открытыми торцами. Внутри камеры расположена пластина 2. концы которой находятся вне камеры. Пластина имеет возможность перемещаться в камере с малыми зазорами в плоскости, ортогональной пластине и полным прилеганием попеременно к верхней и нижней поверхностям меры. Камера в плоскости, параллельной плоскости поперечной симметрии, шарнирно 3 прикреплена к корпусу или несущей плоскости транспортного средства. Один из концов пластины также шарнирно прикреплен к корпусу или несущей плоскости транспортного средства с возможностью качания в одной плоскости с камерой, а второй конец пластины шарнирно соединен с тягой 4 с возможностью передачи качательных движений камере и перемещения в камере с малыми зазорами. Оси всех шарнирных соединений ортогональны продольной оси симметрии камеры.

            На фиг. 2 показана схема перемещений реактивного прямоточного движителя. Положение I  - начальное состояние движителя. Пластина плоско прилегает к верхней поверхности камеры. Под воздействием внешней силы (показана стрелками) пластина перемещается до упора в нижний край камеры - положение II. За время этого перемещения из камеры вытесняется около половины содержащегося в ней объема среды (газ, жидкость). Затем рабочий конец под воздействием внешней силы, продолжая давление на нижний край камеры, приводит ее в положение III, заставляя поворачиваться камеру вокруг оси ее шарнирного крепления, и пластина плоско прилегает к нижней поверхности камеры. За время этого перемещения из камеры вытесняется оставшаяся часть среды объема камеры. Таким образом, за время полуцикла перемещения пластины из камеры вытесняется среда в полном объеме камеры. Начало второго полуцикла характеризуется сменой направления воздействия силы перемещения движителя. Третья четверть цикла завершается, когда конец пластины дойдет до верхнего края камеры, вытеснив при этом среду в половине объема камеры - положение IV. Под дальнейшим воздействием силы перемещения движителя, пластина, воздействуя на верхний край камеры, заставят последнюю поворачиваться вокpyr шарнирного крепления, приводя камеру в начальное положение - положение V. За время этого перемещения из камеры вытеснится еще половина объема. Таким образом, за время одного цикла качания реактивного движителя из него вытесняется два объема среды. Среда при работе устройства непрерывно перемещается через камеру в направлении, противоположном направлению движения транспортного средства, и снижение коэффициента полезного действия устройства связано, в основном, с качеством обтюрации и совершенством конструкции камеры.

           Сила тяги, создаваемая реактивным движителем в процессе его перемещения, может быть оценена по формуле

                                         <F> = rSl²  х  (1+cosα)/2t² ;                             (1)

где

r - объемный вес среды, кг/м³ ;

S - площадь поперечного сечения камеры, м²;

1 - длина камеры, м;

 t - время полуцикла, сек;

2α - угол между крайними положениями камеры (пластины).

           Аналогично, мощность, необходимая для работы реактивного движителя, оценивается как

                                                        N = rS1³ /t                                          (2)

            И затраты мощности на единицу тяги, создаваемой при работе реактивного движителя, определяется как

                                                        N/F = 2l/t (1+cosα),                            (3)

т.е. приблизительно равны скорости истечения вытесняемой из камеры среды.

             Приведенные оценки грубы, однако позволяют составить представление о зависимости силы тяги от параметров реактивного движителя. Так, например, для увеличения силы тяги в 10 раз, достаточно увеличить в 3,3 раза либо длину камеру, либо частоту ее перемещения.

            На фиг. 3 приведен схематический чертеж реактивного движителя с тремя камерами. Камера 1 разделена параллельными перегородками 5 на три одинаковые ячейки-камеры. В каждой камере расположена пластина 2. Одноименные концы пластин шарнирно соединены между собой с одинаковым расстоянием между пластинами. Как видно из чертежа (фиг.3b), амплитуда перемещения рабочего конца пластин, а значит, и угол 2α уменьшились почти в три раза, что свидетельствует о некотором увеличении создаваемой силы тяги для одинаковых (по сравнению с несекционированной камерой) циклов качания (см.1) и о значительном увеличении силы тяги в случае одинаковых скоростей перемещения рабочего конца пластины. Это означает значительное расширение частотного диапазона работы движителя. Эти рассуждения справедливы для малых углов качания  (Sin 2α = tg 2α = 0).

            Все вышеприведенные оценки (1-3) для движителя с единой камерой могут быть использованы и для многокамерного движителя.

            В общем случае геометрические параметры (длины перегородок, положения осей шарниров, расстояния между пластинами и т.д.) выбираются согласованно, чтобы максимально использовать объём камер.

          Для создания полного реверса необходимо изменить функциональное назначение концов пластины, т.е. шарнирно закрепить подвижный конец пластины и освободить ранее шарнирно закрепленный конец, приложив к нему силу, перемещающую пластину. Технически это можно осуществить, например, следующим образом. Оба конца пластины шарнирно подсоединены к двум тягам, которые в свою очередь подсоединены каждая к своему приводу. Одна тяга механически закреплена и ее привод отсоединен от двигателя (в случае, например, электромагнитного привода в катушку электромагнита не подается импульсное питание и она замкнута). Вторая тяга свободна, и ее привод соединен с двигателем. Для осуществления реверса подвижную тягу закрепляют, одновременно отсоединяя ее привод от двигателя, а закрепленную ранее тягу освобождают, одновременно подключая ее привод к двигателю.

            При испытаниях действующего макета реактивного движителя с симметричным (по длине камеры) положением точки крепления шарнира камеры были установлены следующие особенности.

            В начальный момент страгивания (движения пластины вниз, см.фиг.2) в верхней полости камеры создается отрицательный градиент давления, а в нижней - положительный. В начальный момент их можно считать равномерными по длине камеры, что способствует образованию течения жидкости в камере. Поскольку жидкость несжимаема и положительный градиент давления начинает создаваться в передней части камеры, камера начинает поворачиваться вслед за пластиной, и образующееся движение жидкости меняет характер распределения давления как на пластине, так и на стенках камеры. Это заставляет камеру двигаться практически одновременно с пластиной, уменьшая количество движения жидкости, а, следовательно, и тягу.

            Верхняя и нижняя поверхности камеры — это, по существу, две пластины в потоке жидкости под одинаковым углом атаки.

            В этом случае, в диапазоне возможных в практике углов отклонения (до 30⁰), точка приложения равнодействующей (метацентр) будет находиться в пределах 25% длины камеры.

            При начале движения пластины в камере, шарнирно закрепленной в метацентре — в точке, расположенной около 1/4 длины от входного торца камеры, картина взаимодействия сил и конструкции изменяется. В данном случае, поскольку равнодействующая приложена в точке крепления камеры, камера имеет тенденцию к сохранению исходного положения, и пластина продолжает вытеснять жидкость во время своего перемещения. Этому способствует тот факт, что при наличии движения (течения) среды в диффузоре (для дозвуковых скоростей) давление на поверхность камеры повышается с увеличением проходного сечения и понижается с уменьшением сечения диффузора. Такая тенденция изменения давления по длине камеры создает в более удлиненной задней части пластин камеры изменение силы, которое помогает камере стремиться к исходному положению (т.е. сохранять наличие диффузора). Следует помнить, давления в диффузоре определяется уравнением (постоянство расхода): rvS = conct., т.е. произведением плотности, скорости перемещаемой среды и площади поперечного сечения камеры.

            Учитывая полное вытеснение среды при движении пластины с малыми зазорами в камере прямоугольного сечения и конечное полное прилегание пластины к поверхностям предлагаемый движитель эффективен и для сред, например, газов.

             Предлагаемый движитель можно использовать не только для водных и воздушных транспортных средств, разместив его под крыльями или под фюзеляжем, корпусом судна, но и для движения наземных транспортных средств, например, автомобиля, железнодорожного транспорта.

             В этом случае колеса наземного транспорта служат для уменьшения трения и не связаны с двигателем. Это способствует значительному уменьшению длины тормозного хода, так как движитель позволяет осуществить практически мгновенно полный реверс, т.е. мгновенно изменить направление создаваемой силы тяги на противоположное. При одновременном торможении колес тормозным устройством это приведет к значительному уменьшению длины тормозного хода.

Формула изобретения

1. Реактивный движитель, содержащий прикрепленную к корпусу транспортного средства камеру прямоугольного сечения с открытыми торцами и расположенную в ней пластину, один конец которой шарнирно присоединен к тяге с возможностью качания в камере в плоскости, ортогональной пластине, и полного прилегания к противоположным поверхностям камеры, отличающийся тем, что другой конец  пластины вне камеры и камера шарнирно прикреплены к корпусу, либо к несущей поверхности транспортного средства, с возможностью передачи камере качательных движений.

2. Движитель по п.1, отличающийся тем, что камера разделена параллельными перегородками на ряд одинаковых камер, в каждой из которых помещена пластина с одинаковыми расстояниями между соседними пластинами.