устройство для улучшения аэрогидродинамических качеств конструкций

Формула изобретения

Устройство для повышения аэродинамических качеств конструкции преимущественно воздушно-реактивного двигателя, содержащего сопло, на выходе из которого установлен механизм изменения уровня давления внешней среды на конструкцию, включающий выполненные с внешней стороны сопла каналы со стенками для формирования за счет эжекции зоны понижения давления, отличающееся тем, что одни стенки каждого канала выполнены в виде пластин, шарнирно закрепленных с внешней стороны сопла, для формирования пониженного давления среды потока, а другие стенки канала выполнены в виде шарнирно закрепленных пластин на внутренней стороне сопла для создания повышенного давления среды потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, авиации, судостроению.

В течение современного периода развития техники известны попытки изменять аэрогидродинамические качества конструкций. Так по патенту США N 4180290, кл. B 64 C 1/36 на автомобиле устанавливаются различные элементы типа гребешков для снижения аэродинамического сопротивления. По патенту США N 2036560, кл. 296-1, 1936 показана постановка носового элемента с вогнутой поверхностью, не получившего дальнейшего развития, хотя это решение явно снижает сопротивление движению по аналогии с носом меч-рыбы. Среди многочисленных попыток уменьшения сопротивления можно упомянуть патенты Франции N 1568311 и 2168196, кл. B 64 G и B 64 C 23/00 с вихреобразованием, а у внутренних потоков патент США N 3134336, кл. 103-262, где с помощью винтообразных вставок создается возможность безотрывного течения в каналах переменного сечения.

Известные до сих пор предложения направлены на снижение сопротивления путем создания безотрывного течения, хотя в то же время известны удивительные скоростные качества представителей живой природы. Так дельфины могут находиться рядом с движущимся полным ходом судном, не делая заметных движений, так же, как и форель, "стоящая" на быстрине. А это можно объяснить умением управлять давлением потока на тело, а не низким сопротивлением трению.

Для улучшения динамических качеств конструкций предлагается выполнять на них устройства для изменения уровня давления потока среды на конструкцию, т. е. статического давления потока, в сравнении с уровнем на гладкой, твердой поверхности. Этим названием объединяются самые разнообразные конструкции, улучшающие аэрогидродинамические качества, начиная с самого простого - покрытия мягкой, студнеобразной краской передней части транспортного средства, а твердой краской - задней. В основном устройства по данному предложению можно выполнять в виде податливой поверхности, например шарнирно установленной пластины, соприкасающейся с потоком и оказывающей определенное давление на него полостью с газом. Такие пластины могут поворачивать поток в сопле реактивного двигателя с малым противодавлением против движения, увеличивая давление по направлению движения.

На фиг. 1 показано применение данного предложения в сопле реактивного двигателя или водометного движителя; на фиг. 2 - устройство для поворота потока среды с минимальным противодавлением; на фиг. 3 и 4 - варианты простейшей перестройки реактивных сопел; на фиг.5 - постановка понижающих давление устройств на входную часть воздушно-реактивного двигателя; на фиг. 6 и 7 - постановка устройств на носовые части транспортных средств, самолета, судна; на фиг. 8 и 9 - варианты выполнения автомобилей с улучшенной аэродинамикой; на фиг. 10 - вариант постановки поворотного устройства на транспортное средство; на фиг. 11 - схема для пояснения принципа получения подъемной силы крыла; фиг. 12, 13 и 14 показаны устройства в виде шарнирно закрепленных пластин или гибких элементов, установленных на поверхностях транспортных средств; на фиг. 15 и 16 - варианты постановки пластин на транспортные средства; на фиг. 17 и 18 - варианты выполнения Крыловых профилей; на фиг. 19, 20 и 21 - устройства, повышающие давление потока в конфузоре; на фиг. 22 - устройство для повышения энергии потока; на фиг. 23 - устройство для понижения энергии потока; на фиг. 24 - вариант выполнения глушителя автомобиля; на фиг. 25 и 26 - варианты выполнения безопорных движителей; на фиг. 27 - лопаточный аппарат колеса центробежного насоса; на фиг. 28 - лопаточный аппарат турбины; на фиг. 29 - турбина с замкнутой схемой движения среды.

Предлагаемым устройством в различных вариантах исполнения можно усиливать или ослаблять действие потока среды на конструкции в желательном направлении. Так, например, на выходе из сопла 1 (фиг. 1) можно установить устройство 2 для поворота потока в сторону движения с уменьшенным давлением потока. На фиг. 1 устройство 2 показано в виде решетки с наклоненными по потоку профилями, где уменьшение давления происходит за счет эжекции некоторого расхода извне. После разворота потока устройством 2 он направляется на вогнутое дно 3, где разворот происходит уже с повышенным уровнем давления в сторону получения силы тяги.

В целом необходимо учитывать, что тяга реактивного или водометного двигателя - это не скорость выброса струи, а результирующая от эпюры давлений потока среды на части конструкции.

Меньшее противодавление будет получено при выполнении поворотного устройства как на фиг. 2 с податливыми поверхностями в виде шарнирно установленных по дуге пластин 4, образующих вместе с корпусными пластинами 5 и регулирующими языками 6 полости с небольшим уровнем давлений, определяющим статическое давление в поворачиваемом потоке.

Учитывая данное предложение, можно достаточно просто доработать существующие реактивные двигатели (фиг. 3 и 4) путем постановки понижающих давление пластин 7 (фиг. 3) или решеток 8 (фиг. 4) на внешнюю часть сопла, а повышающих давление пластин 9 или решеток 10 на внутреннюю часть. Таким образом усиливается действие потока в необходимом, по движению, направлении.

Данное предложение позволяет улучшить характеристики существующей техники. Устройства 11, понижающие давление потока, можно устанавливать на входную часть воздушно-реактивного двигателя (фиг. 5), переднюю часть самолета (фиг. 6) или судна (фиг. 7). Такое устройство может содержать два слоя (фиг. 5) - внутренний 12, жесткий, и наружный 13, податливый, между которыми может находиться, например, жидкость, выравнивающая давление потока по всей протяженности наружного слоя 13 и делая его минимальным.

С помощью данного предложения можно уменьшить сопротивление движению автомобилей, например путем создания смещаемого относительно линии 14 переднего стекла 15 (фиг. 8) и смещаемого заднего стекла 16 или устанавливая передние обтекатели 17 (фиг. 9) со снижающими давление потока поверхностями. Кроме того, возле плохо обтекаемых задних частей фургонов могут быть установлены устройства 18 (фиг. 10, 11) для поворота потока с малым давлением в сторону движения. Устройство 18 может быть выполнено как на фиг.2, а на крыше 19, выполненной с наклоном, могут быть расположены повышающие давление устройства.

На фиг. 12 показано простейшее устройство для уменьшения давления потока на конструкцию в виде податливой шарнирно установленной пластины 20, отделяющей собой от внешнего потока полость 21 с давлением среды, меньшим, чем статическое давление потока, который эту пластину присасывает, и имеет, в результате, давление меньшее, чем давление в полости 21, а равенство будет при отходе пластины вовнутрь при давлении потока равном статическому минус динамический напор (представьте себе, что вы открываете дверь в самолете). Аналогично на фиг. 13 показана пластина 22, имеющая возможность смещения наружу от полости 23, и это смещение становится возможным при превышении давления в полости 23 значения статического давления потока плюс динамический напор, и именно таким становится давление потока на конструкцию. Кроме указанной постановки пластин на шарниры, их можно закреплять на подвижном элементе 24 (фиг. 14), например, в виде резиновой оболочки. А устройство для изменения уровня давления потока среды на конструкцию может быть выполнено просто в виде податливой оболочки, прикрывающей полость под определенным давлением, например как на фиг. 6. Установив устройства, подобные фиг. 12, на задней части транспортного средства (фиг. 15), а как на фиг. 13 - на передней, можно получить самолет или подводную лодку, способную двигаться без затрат энергии наподобие дельфинов. Такие пластины с силовыми устройствами в виде поршней 25 (фиг. 16) с цилиндрами можно устанавливать и на автомобили, например на пологую крышу фургона (фиг. 10).

С помощью предлагаемого устройства можно увеличить аэродинамическое качество крыла, учитывая, что основное преимущество каплевидности - это безотрывное обтекание при больших углах атаки, а в остальных случаях, например у тяговых винтов, нос (фиг. 17, 18) может быть острым с прогибом 26 для отражения потока от поверхности с пониженным уровнем давления, где для понижения этого уровня (в т. ч. и на прогибе 26) располагаются устройства, например в виде податливой пластины 27 (фиг. 17) или решетки 28 с наклонными по потоку каналами. На другой стороне крыла находятся устройства для повышения уровня давления в виде податливой пластины 29 (фиг. 17), прикрывающей полость с повышенным уровнем давления, или решетки 30 с наклонными против потока каналами.

Аналогично можно изменять давление и внутренних потоков, что подтверждается экспериментами, проведенными на конфузорах (фиг. 19 - 21), например коническая вставка 31 (фиг. 19), прикрывающая полость 32 с повышенным уровнем давления, при изготовлении из органического стекла дала существенное снижение перепада давлений на конфузоре (с КПД большим единицы) в сравнении со вставкой, изготовленной из металла. Т. е. эффект дает даже простая замена материала на более податливый. Снижение сопротивления конфузора было достигнуто также при установке соосных втулок 33 (фиг. 20) или конусов 34 (фиг. 21).

Известно повышение энергии потока при коммулятивном взрыве, что можно повторить и в трубах, установив в них направляющий аппарат 35 (фиг. 22), после которого поток пойдет со сжатием в области постоянного давления, где при росте скорости и кинетической энергии потока остается постоянным его статическое давление, а далее в трубу 36. Еще более эффективно можно уничтожать энергию потока, установив на выходе из канала 37 (фиг. 23) направляющий аппарат 38, например в виде винта, после которого поток выходит веерообразно со снижением скорости в области с постоянным давлением. Такой принцип с закруткой выходящего потока можно применить для глушения шума, например, реактивных двигателей. Наиболее эффективным такой процесс будет при безотрывности течения.

К устройствам, манипулирующим давлением потока, можно отнести и предлагаемый глушитель двигателей внутреннего сгорания (фиг. 24), центральная часть 39 канала которого имеет минимальное сечение, обеспечивающее большую (околозвуковую) скорость движения потока. Эта центральная часть 39, как минимум, в начале и в конце канала отгорожена от полостей 40, достаточного объема, сообщаемых друг с другом, наклонными по потоку в части 39 каналами, например в решетке 41. Благодаря такой конструкции выравнивается на минимальном уровне давление по всей длине канала и в то же время гасятся импульсы давления и скорости. На конце такой трубы должен быть установлен достаточно эффективный преобразователь скоростного напора в давление, например радиальный диффузор со специальной системой лопаток.

Учитывая вышеизложенное, логически вытекает возможность создания гидравлических безопорных движителей. Пустив жидкость по круговому каналу 42 (фиг. 25), снизив и подравняв давления возле поверхностей 43 и 44 и повысив возле поверхностей 45 и 46, мы получим устройство, дающее тягу в направлении А при круговом движении жидкости.

Аналогично можно установить шарнирно пластины 47 (фиг. 26) в канале 48 с силовым устройством, например в виде поршня 49 с цилиндром. При начале силового воздействия поршня 49 на пластины 47, находящиеся в потоке, фактически не вызвав углового отклонения, мы получим ответную реакцию пластин, силовое воздействие в направлении А, пригодное для приведения в движение транспортных средств.

К устройствам, изменяющим уровень давления потока, можно отнести и простую доработку лопаток 50 центробежного насоса (фиг. 27) путем выполнения на них наклонных каналов, в которых жидкость при движении идет с торможением и ростом давления вначале на тыльную сторону, а затем эжектируется меньшим давлением с напорной стороны. В целом это дает уменьшение силы, действующей на лопатку, момента сил и мощности, при увеличенном напоре (поток несколько обгоняет колесо).

Можно дорабатывать также и лопатки 51 (фиг. 28) направляющего аппарата турбины, что приведет к снижению перепада давлений на них, а кроме того, турбину можно сделать с замкнутым каналом 52 (фиг. 29), например торовым, в котором находятся лопатки 53 направляющего аппарата и 54 - рабочего колеса.

Данное предложение направлено на улучшение энергетических параметров конструкций как с внутренними потоками (насосов, трубопроводов и т. д.), так и с внешними (суда, самолеты, автомобили). В соответствии с данным предложением может быть доработана существующая техника или сконструирована новая, учитывая, что относительно небольшие результаты будут получены на решетке с наклоном каналов против потока (30, фиг. 18), а лучшие на гладких, податливых поверхностях.