атмосферный движитель

Формула изобретения

Атмосферный движитель, состоящий из плоского кольцевого основания с неподвижно закрепленным на нем по центру подшипником, в который установлен стыкуемый с трансмиссией от двигателя транспортного средства вал с фиксирующей распорной втулкой и неподвижно насаженным на него на расстоянии от поверхности основания рабочим колесом с радиально установленными лопатками, отличающийся тем, что он снабжен кольцевым диском, на внутренней поверхности которого неподвижно закреплены указанные лопатки, выступающие за периметр диска, причем по периметру плоского кольцевого основания, выполненного с отверстиями для засасывания воздуха через щель между основанием и рабочим колесом, неподвижно закреплен венец, обеспечивающий уплотнение и сход воздушного потока.

Описание изобретения к патенту

Атмосферный движитель относится к области транспорта и может быть применен к основным видам наземного, надводного и воздушного транспорта. В настоящее время для этих видов в основном применяют такие распространенные движители, как колесо, воздушный и гребной винты, при этом следует отметить, что гребной винт по принципу действия аналогичен воздушному винту.

Основными недостатками колеса, как движителя, являются:

- потеря части мощности двигателя на сопротивление трения в сложных механизмах силовых передач от двигателя до ведущих колес;

- зависимость коэффициента сцепления между колесом и дорогой от характера ее покрытия, загрязнения, влаги, конструкции шин и ряда других факторов (Чудаков Е.А. «Автомобили» Избранные труды. 1961 г.). Любой воздушный винт конструктивно состоит из набора лопастей, закрепленных на втулке, а элемент лопасти любого реального винта представляет собой маленькое крыло, работающее в потоке воздуха, как обычное крыло самолета. Воздушный винт создает силу тяги за счет отбрасывания воздуха лопастями и подсасывающих сил на их поверхности. Практика показывает, что в оптимальном режиме полета их соотношение распределяется в следующей пропорции: 30% за счет отбрасывания воздуха и 70% за счет подсасывающих сил, то есть основная составляющая развиваемой силы тяги - это подсасывающие силы. В этой части воздушному винту, как движителю, присущи существенные недостатки. Подсасывающие силы зависят от величины разряжения воздуха на верхней поверхности лопасти по отношению к давлению в атмосфере, а по статистике эта величина не превышает 1,5-3%, и чтобы получить достаточную силу тяги необходимо увеличивать рабочую поверхность воздушного винта, в основном за счет увеличения количества лопастей и диаметра винта. Но увеличение количества лопастей ограничивается коэффициентом заполнения ими ометаемой площади винта, который из-за падения силы тяги винта не превышает величины 0,07-0,08. В связи с чем для увеличения силы тяги идут по пути увеличения диаметров воздушных винтов, размеры которых для самолетов колеблются от 3 до 5 м, а вертолетов - свыше 10 м. Работа больших воздушных винтов в открытом потоке воздуха вызывает повышенные уровни шума, а для вертолетов способствует возникновению большого количества различных колебаний, как отдельных частей, так и вертолета в целом, что отрицательно сказывается на их технических характеристиках.

(Байдуков В.Б. «Аэродинамика и динамика полета летательных аппаратов». 1979 г.)

(Ромасевич В.Ф. Самойлов Г.А. «Практическая аэродинамика вертолетов». 1980 г.)

Целью данного изобретения является создание для наземных, надводных и воздушных транспортных средств единого по принципу действия и конструктивному исполнению движителя, позволяющего обеспечить потребную силу тяги для конкретного транспортного средства. Средой, которая позволяет достичь поставленной цели, является окружающая нас воздушная среда с ее атмосферным давлением, которое в нормальных условиях на поверхности Земли составляет 1 кГ/см².

Изобретение базируется на уравнении энергии воздуха, в частности на уравнении Бернулли, которое устанавливает связь между скоростью движения воздуха и его давлением в струе для несжимаемого газа в диапазоне до-звуковых скоростей и имеет вид:

где: Р₁, Р₂ и - давление и массовая плотность воздуха в соответствующих сечениях;

V₁ и V₂ - скорость движения воздуха в соответствующих сечениях. То есть, где в струе скорость движения частичек воздуха больше, давление уменьшается, а где меньше, давление увеличивается. Этот закон, как было отмечено выше, нашел широкое применение в аэродинамике, он объясняет возникновение подсасывающих сил как на крыле самолета, так и на лопастях воздушных винтов. Однако предлагаемый атмосферный движитель в конструктивном исполнении является принципиально новым техническим решением и не может рассматриваться как прототип воздушного винта.

Новизна технического решения состоит в том, что на внутренней кольцевой поверхности плоского основания движителя с помощью вращающегося рабочего колеса с радиально закрепленными лопатками формируется воздушный вихрь с регулируемой в определенном диапазоне скоростью его воздушного потока, что позволяет обеспечивать существенное падение атмосферного давления на этой поверхности и за счет разности атмосферного давления на наружной и внутренней поверхностях основания движителя получать необходимую и достаточную силу тяги для конкретного транспортного средства.

На фиг.1 изображен предлагаемый атмосферный движитель, разрез по А-А на фиг.2.

На фиг.2 - то же, вид сверху.

На внутренней поверхности плоского кольцевого основания 1 с втулкой и подшипником 2 в центре закреплен неподвижно по периметру венец 3. В подшипник 2 установлен вал 4 с распорной втулкой 5. На вал 4 до упора с распорной втулкой 5 запрессовано рабочее колесо, состоящее из кольцевого диска 6 и лопаток 7, неподвижно закрепленных радиально на внутренней поверхности кольцевого диска. Движитель своим основанием крепится непосредственно к двигателю или корпусу транспортного средства в зависимости от принятой конструктивной схемы 8 ( показана условно), а вал 4 рабочего колеса стыкуется с трансмиссией от двигателя транспортного средства. Атмосферный движитель развивает силу тяги следующим образом. При включении трансмиссии и придании рабочему колесу движителя вращательного движения от двигателя, воздух, поступающий из внутренней полости отверстия рабочего колеса, захватывается лопатками 7 и приводится во вращательное движение, перемещаясь в полости лопаток 7 по траектории раскручивающейся спирали. При выходе из полости рабочего колеса воздух с окружной линейной скоростью конца лопаток, расходится в плоскости вращения веерно по касательным к окружности рабочего колеса в окружающее пространство.

При этом рабочее колесо располагает двумя характерными особенностями:

- внутренняя площадь засасывания воздуха в полость лопаток меньше площади выхода воздуха по наружному периметру лопаток 7;

- линейная скорость лопаток 7, а соответственно, и перемещаемого ими воздуха от центра к периферии увеличивается пропорционально увеличению радиуса колеса.

Плавное увеличение площади, охватываемой лопатками 7, и их линейной скорости от центра к периферии, в соответствии с законом непрерывности (т.е. сплошности) воздушного потока, требует необходимости дополнительного притока воздуха в расширяющуюся периферийную зону рабочего колеса. Потребный дополнительный объем воздуха засасывается через кольцевую щель a из внутренних отверстий кольцевого основания 1, перемещаясь как в полость рабочего колеса, так и в пространство между основанием 1 и рабочим колесом, одновременно раскручиваясь и образуя на внутренней поверхности основания 1 воздушный вихрь, движущийся по такой же траектории, как и воздушный поток в полости рабочего колеса. Величина скорости воздушного потока в вихре находится в прямой зависимости от линейной скорости лопаток 7 рабочего колеса. Она плавно возрастает от начала засасывания воздуха до наружного периметра рабочего колеса, за пределами которого начинает убывать, расходясь веерно по всей площади периметра кольцевого основания 1, затем подходя к венцу 3 уплотняется, прижимаясь к его сферической поверхности, и сходит под некоторым углом в строну наружной поверхности основания 1. Для усиления воздушного вихря за пределами рабочего колеса предусматривается дополнительное поступление воздуха за счет концевых частей лопаток 7, выступающих за пределы периметра кольцевого диска 6, на некоторую величину b, благодаря чему дополнительный объем воздуха подсасывается сверху, усиливая воздушный поток вихря. Скорость воздушного потока вихря как из-за наличия сил трения, так и ряда других факторов, несколько отстает от линейной скорости лопаток 7 рабочего колеса. Однако предусматривая конструктивное исполнение двигателя с трансмиссией таковыми, что позволяют в широком расчетном диапазоне регулировать число оборотов рабочего колеса движителя, а соответственно и увеличивать скорость воздушного потока вихря до требуемых величин в диапазоне дозвуковых скоростей. Образование воздушного вихря обуславливает падение статического давления на внутренний поверхности основания 1 на величину скоростного напора вихря, равную , где V_вих - усредненная скорость воздушного потока вихря.

Разность давлений на наружной и внутренней поверхностях основания 1 создает силу тяги движителя, направленную в сторону меньшего давления.

Для количественной оценки величин силы тяги атмосферных движителей, которые они могут развивать в диапазоне дозвуковых скоростей, возьмем последовательно такие усредненные скорости воздушного потока вихря: 100 м/сек; 200 м/сек и 250 м/сек.

Расчет величины скоростного напора показывает, что сила тяги для данных величин соответственно составит: 64,5 Г/см²; 258 Г/см²; 403,1 Г/см² . В процентном отношении от величины атмосферного давления это составит, %: 6.45; 25.8; 40.3.

Исходя из выше приведенных данных видно, что атмосферный движитель по своим показателям, как минимум, на порядок превосходит воздушные винты, и по своему техническому уровню значительно выше всех широко распространенных в настоящее время движителей, так как устраняет все присущие им характерные недостатки.

Некоторые ориентировочные конструктивные требования к отдельным элементам движителя:

- длина лопаток 7 составляет не более 35% от радиуса рабочего колеса;

- величина размера b колеблется в интервале 8-37% от длины лопатки, возрастает с увеличением окружной линейной скорости;

- длина лопатки 7 по внутреннему диаметру кольца рабочего колеса больше, чем длина ее по наружному периметру в 1,8-2 раза;

- количество лопаток 7 на рабочем колесе определяется по соответствию размера средней ширины лопатки размеру между концами двух смежных лопаток по наружному периметру;

- радиус основания 1 больше радиуса рабочего колеса примерно на размер длины лопатки 7;

- внутренний диаметр кольца основания 1 больше внутреннего диаметра кольца диска 6 ориентировочно на 5-10%;

- величина размера с должна обеспечивать свободный доступ воздуха во внутренние отверстия основания 1;

- величина размера а определяется по максимальной тяге движителя при максимально расчетной скорости рабочего колеса;

- детали рабочего колеса должны изготавливаться из легких и прочных металлов и иметь минимальный вес.