несущая конструкция с уменьшенным концевым вихрем

Формула изобретения

1. Конструкция для создания подъемной силы в потоке жидкости, имеющая главное продольное направление и включающая в себя основную часть и концевую конструкцию, включающую пластину (8), расположенную приблизительно перпендикулярно основной части и имеющую свободный концевой контур (12,36), где на кромке пластины, проходящей приблизительно в направлении потока, на стороне низкого давления жидкости, ограниченной основной частью, расположены последовательно в направлении потока и наклонно или перпендикулярно направлению потока множество гребней (18, 25, 28, 38).

2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что гребни расположены на части (13, 34) концевого контура, смежного с задней кромкой (10, 35) конструкции.

3. Конструкция по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что гребни образованы кромками вырезов, выполненных в пластине (8А).

4. Конструкция по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что пластина (8) имеет зубчатую кромку, на которой установлена пластинка (16, 21, 23, 26), образующая гребни.

5. Конструкция по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что выполнена в форме крыла морского судна.

6. Конструкция по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что выполнена в форме лопасти пропеллера.

7. Конструкция по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что выполнена в форме дефлектора, предназначенного для подвески к бую и установленного на морском буксировочном канате (29) между судном (31) и по меньшей мере одним акустическим датчиком (30), таким, как гидрофон.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкции, создающей подъемную силу в потоке текучей среды, в которой уменьшен концевой вихрь, создаваемый в этом потоке.

Изобретение можно применять в различных областях, таких как самолетные крылья и элероны, некоторые внешние элементы морских судов, такие как бортовые управляемые рули, стабилизаторы боковой качки, рули, лопасти винтов и т.д., а также дефлекторы, используемые для акустических испытаний на море.

Концевой вихрь образуется на свободном конце всех этих несущих конструкций в результате перемещения текучей среды поперек направления потока со стороны высокого давления на сторону низкого давления с прохождением вокруг свободной кромки конструкции. Концевой вихрь обычно имеет небольшое поперечное сечение, однако, высокую скорость вращения. Он является по существу когерентным, т.е. его энергия сконцентрирована в небольшом объеме; не имеет тенденции к диссипации вследствие вязкости и удерживается довольно продолжительное время. Поэтому он присутствует ниже по потоку на расстоянии от конструкции, которая создала его, и является вредным для акустической тишины, если она желательна или если необходимо выполнять акустические измерения в этой точке; и поскольку скорость вихря становится больше по мере приближения к центру, то образуемое разряжение может достигать точки кавитации, что дополнительно повышает шум и может даже приводить к эрозии самой конструкции.

Концевой вихрь образуется даже когда на конце несущей конструкции устанавливается поперечная пластина для повышения подъемной силы или для уменьшения гидравлического сопротивления путем уменьшения поперечного потока текучей среды между стороной высокого давления и стороной низкого давления; в этом случае он образуется на кромке пластины и даже имеет значительно большую когерентность, чем на обтекаемой кромке конструкции, такой как обычное крыло.

Разработаны меры для уменьшения концевого вихря: так, например, часть поверхности, на которой образуется вихрь, делают шершавой в надежде увеличить трение в этой точке и удлинить вязкое ядро, которое образуется в центре вихря, и тем самым увеличить диссипацию; другая идея заключалась в сверлении отверстий на конце конструкции для создания локализованных потерь давления; однако, эффективность этих мер остается недоказанной, в результате чего они обычно не используются.

В реферате патента JP 04314693 А (опубликован в Сборнике рефератов патентов Японии, том 017, №136 (М-1384) от 19 марта 1993 г.) описана лопасть винта, концевая кромка которого снабжена зубцами, на гребнях которых рассеивают концевой вихрь.

Задачей данного изобретения является создание несущей конструкции, которая позволила бы уменьшить воздействие концевого вихря путем более эффективного воздействия на его когерентность.

Поставленная задача решается тем, что в конструкции для создания подъемной силы в потоке жидкости, имеющей главное продольное направление и включающей в себя основную часть и концевую конструкцию, включающую пластину, расположенную приблизительно перпендикулярно основной части и имеющую свободный концевой контур, на кромке пластины, проходящей приблизительно в направлении потока, на стороне низкого давления жидкости, ограниченной основной частью, расположены последовательно в направлении потока и наклонно или перпендикулярно направлению потока множество гребней.

Желательно, чтобы гребни были расположены на части концевого контура, смежного с задней кромкой конструкции.

При этом предпочтительно, чтобы гребни были образованы кромками вырезов, выполненных в пластине.

Целесообразно, чтобы пластина имела зубчатую кромку, на которой установлена пластинка, образующая гребни.

Возможно, чтобы конструкция была выполнена в форме крыла морского судна.

Возможно также, чтобы конструкция была выполнена в форме лопасти пропеллера.

В еще одном варианте конструкция может быть выполнена в форме дефлектора, предназначенного для подвески к бую и установленного на морском буксировочном канате между судном и, по меньшей мере, одним акустическим датчиком, таким как гидрофон.

Гребни приводят к разделению вихря на несколько меньших вихрей, которые накладываются друг на друга, так что они противодействуют друг другу и ослабляют друг друга; кроме того, создаются турбулентности в точках, где возникают вихри, и ослабляют их интенсивность.

Поэтому можно предполагать, что риск образования кавитаций становится меньше и уменьшается присутствие вихря ниже по потоку от несущей конструкции

Другие аспекты и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания возможных вариантов выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - общий вид несущей конструкции, выполненной согласно изобретению;

фиг.2 - пластина для повышения подъемной силы, выполненная согласно изобретению, в увеличенном масштабе;

фиг.2А - деталь другой несущей пластины согласно изобретению;

фиг.3 - возникновение концевого вихря на несущей конструкции, не выполненной согласно изобретению;

фиг.4 - воздействие изобретения на концевой вихрь;

фиг.5, 6 и 7 - другие формы пластин, несущих гребни;

фиг.8 - использование изобретения на буксируемой линии из гидрофонов;

фиг.9 - другой вариант выполнения изобретения без концевой пластины, который можно приспосабливать к крылу или к лопасти вертолета.

Показанная на фиг.1 конструкция имеет в целом форму крыла, хотя в действительности является дефлектором, назначение которого описано ниже применительно к фиг.8. Она включает в себя удлиненный корпус 1, ограниченный сплошной обшивкой 2 (показанной только частично для иллюстрации внутренней части корпуса 1), стороны которого изогнуты для образования наружной поверхности 3, соответствующей стороне низкого давления текучей среды, и внутренней поверхности 4, соответствующей стороне высокого давления.

Один из концов корпуса 1, предпочтительно оба, снабжены пластиной 8, предназначенной для регулирования потока текучей среды на концах корпуса 1 при его перемещении. Эта пластина выступает за контур крыла, так что она создает фланец переменной высоты относительно контура крыла. Она включает верхнюю кромку 12 и нижнюю кромку 11.

Слегка отличающийся вариант выполнения, показанный на фиг.2, включает ребро 15а между двумя вышеупомянутыми ребрами и четвертое ребро 15b, расположенное на противоположном торце и повернутое к корпусу 1 над наружной поверхностью 3.

Существенным элементом изобретения является выступающая пластинка 16, стороны которой снабжены вырезами 17, которые придают ей вид ленточной пилы. Пластинка 16 приварена к пластине 8 над прямолинейной частью 13 верхней кромки вблизи задней кромки 10 корпуса 1, продольное направление которой, также как и ребер 15, проходит в направлении потока текучей среды. Кромки вырезов 17 включают гребни 18, расположенные наклонно к передней кромке 9 корпуса 1.

В показанном на фиг.3 дефлекторе, аналогичном предыдущему дефлектору, однако не снабженному пластинкой 16, образуется вихрь 19 в точках, где дефлектор вызывает разницу давлений текучей среды, т.е. по существу на верхней кромке 12 пластины 8. Вихрь сохраняется в течение длительного времени позади дефлектора при его перемещении.

Если добавить пластинку 16, то, как показано на фиг.4, на каждой обращенной к торцу кромке гребня 18 образуется намного меньший вихрь 20. В такой ситуации потоки текучей среды, общие для двух смежных вихрей, имеют противоположные направления скорости, которые имеют тенденцию к погашению друг друга, поскольку все вихри 20 вращаются в одном направлении. Результатом этого является значительная диссипация энергии, которая быстро демпфирует вихревое движение. Кроме того, на кромках гребней 18 происходит разделение потока, что вызывает турбулентности и противодействует образованию вихрей 20. Это обеспечивает существенное уменьшение когерентности вихря и поперечных скоростей, а также ускорение диссипации вихря.

Пластинка 16 установлена в месте, где согласно экспериментам она является наиболее полезной, т.е. на части кромки несущего элемента, которая возвышается над наружной поверхностью 3, а именно вблизи задней кромки 10. Возможно также ее расположение в другом месте, т.е. в других положениях между верхней кромкой 12 и нижней кромкой 11 пластины 8. Аналогичным образом вырезы, предусмотренные на пластинке 16, могут быть выполнены непосредственно на кромках 11 и 12 пластины 8 для получения того же результата, как показано на пластине 8а, деталь которой показана на фиг.2А.

Если корпус 1 не снабжен пластиной 8, то пластинка 16 тем не менее может быть установлена вблизи свободного конца контура корпуса 1 в месте соединения наружной поверхности 3 и внутренней поверхности 4.

Имеются другие возможности выполнения конструкции пластинки 16: на фиг.5, 6 и 7 показаны некоторые примеры выполнения. Как показано на фиг.5, можно заменить пластинку 16 в виде ленточной пилы пластинкой 21, состоящей из треугольных зубцов, расположенных на одной стороне; ее прямая кромка 22 приваривается к пластине 8.

На фиг.6 показана пластинка 23, треугольные зубцы которой заменены полукруглыми зубцами 24, создающими для текущей среды изогнутые гребни 25; и, наконец, на фиг.7 показана пластинка 26 с прямоугольными зубцами 27, образующими гребни 28, перпендикулярные потоку текучей среды. Эти пластинки 23 и 26 также имеют прямую кромку, соединяющую два противоположных ряда зубцов 24 и 27, с помощью которой могут быть приварены к пластине 8.

Дефлектор, показанный на предыдущих фигурах, может быть расположен в линии 29 (фиг.8) гидрофонов 30 или других акустических датчиков, буксируемых судном 31 для проведения сейсмических измерений в море. Дефлектор расположен вертикально между гидрофонами 30 и судном 31; он погружен в воду, однако удерживается на постоянной глубине буем 32. Его задачей является создание подъемной силы для отклонения линии 29 в строну, так чтобы гидрофоны 30 удерживались вне кильватерной струи судна 31. Дополнительные детали такого типа дефлекторов опубликованы в патенте США №5357892. Однако недостатком дефлекторов является то, что концевые вихри, создаваемые на его концах и присутствующие ниже по потоку в их спутной струе, также нарушают пространственное положение и результаты измерений гидрофонов 30. Это является поводом добавления пластинки 16, согласно изобретению предпочтительно на каждом конце дефлектора.

Изобретение можно применять на несущих конструкциях (крыле или пропеллере), на фиг.9 показан элерон, который снабжен вырезами в части 34, смежной с задней кромкой 35 свободного конца 36 с образованием треугольных зубцов 37, которые также образуют гребни 38, ориентированные наклонно к направлению потока. Здесь также обеспечиваются преимущественные эффекты указанных выше вариантов выполнения. Такой элерон 33 может быть снабжен пластинкой 16, 21, 23 или 26, аналогичной пластинкам, показанным на предыдущих фигурах.

При сравнении варианта выполнения согласно фиг.9 с вариантами выполнения согласно фиг.1 и 2 можно видеть, что гребни согласно изобретению могут находиться в одной плоскости с компонентом, образующим контур свободного конца (элерон 33), и перпендикулярно этому компоненту (пластина 8). Возможны также промежуточные ориентации.