Колеблющийся движитель - RU2631742C1
Код документа: RU2631742C1
Чертежи
Описание
Область техники
Настоящее изобретение относится к движительным системам, в частности, к устройствам, которые приводят в движение текучие среды и суда, совершая колебательные движения.
Уровень техники
Гребной винт и его различные модификации служат основой большинства используемых в настоящее время движительных систем. Проектирование и изготовление гребного винта требует глубоких знаний в сфере гидродинамики, где важнейшими параметрами являются профиль, форма, площадь, угол расположения, количество и частота вращения лопастей. Более того, эксплуатационные качества большинства гребных винтов ограничены такими явлениями, как кавитация и срыв потока. Гребные винты также могут представлять смертельную угрозу живой природе.
Известны попытки по разработке альтернативных движительных систем в виде крыльев, совершающих возвратно-поступательные движения, предположительно повышающих КПД (коэффициент полезного действия). Большинство используемых в настоящее время двигателей представляют собой устройства возвратно-поступательного действия, хотя в любом случае их используют в режиме вращения; при этом упрощение механической конструкции за счет прямого привода колеблющихся движительных систем являлось бы главным преимуществом. Движительные системы возвратно-поступательного действия также лучше подходят для эффективного использования энергии волн, что еще больше повышает КПД и способствует сохранению окружающей среды за счет уменьшения объема используемых углеводородов. Однако концепция существующих движительных систем возвратно-поступательного действия по-прежнему основана на использовании аэродинамического профиля или гидрокрыла; и можно предположить, что указанным системам также присущи некоторые недостатки и ограничения, характерные гребному винту, которые были описаны выше.
Иной подход к приведению в движение текучей среды предусматривает передачу энергии ограниченному объему текучей среды до ее выпуска; при этом за вычетом рабочих колес закрытого типа только поршневые и диафрагменные насосы, а также иные устройства подобного рода, представляются единственно возможной на сегодняшний день альтернативой, демонстрирующей ограниченный успех на рынке движительных систем для плавсредств. Погружной плавучий чашеобразный элемент с поперечным отверстием раскрыт в патенте США №3,236,203, выданном Бремсону (Bramson) в 1966 году: эта конструкция основана на том, что объем воды в чашеобразном элементе повышается за счет водной массы до уровня, превышающего уровень водной поверхности, после чего эта вода выходит из чашеобразного элемента под действием силы тяжести. Выход воды из чашеобразного элемента сообщает ему реактивную силу. Тяга устройства Бремсона (1966) ограничена силой притяжения Земли, представляющей собой относительно постоянную по величине силу. Потенциальная мощность этой конструкции также ограничена диаметром чашеобразного элемента, поскольку выход воды на высоте, превышающей диаметр чашеобразного элемента, по существу не влияет на пропульсивность, так как выход воды из чашеобразного элемента начнется сразу после того, как он покажется из воды, и завершится к тому времени, когда чашеобразный элемент полностью выйдет из воды, что, конечно, зависит от размеров чашеобразного элемента. С другой стороны, время, необходимое для заполнения чашеобразного элемента под водой, также будет ограничено размерами чашеобразного элемента и возможностью вовлечения в него воздуха. Указанные ограничения обуславливают максимальную частоту ходов устройства и его скорость, исходя из размеров чашеобразного элемента, его геометрии, силы притяжения Земли и гидродинамических параметров. Для создания тяги движительная установка Бремсона (1966) должна всплывать. В этой связи геометрия и плавучесть чашеобразного элемента обеспечивают захват воды и ее подачу на поверхность, а не работу в погруженном состоянии. Необходимость всплытия также уменьшает КПД, так как тяга создается, главным образом, в конце хода вверх, когда вода выливается из чашеобразного элемента.
Инновационный колеблющийся движитель согласно настоящему изобретению может работать в полностью или частично погруженном состоянии. Уникальные геометрические параметры и принцип действия колеблющегося движителя обеспечивают циклическое ускорение и выброс определенного объема текучей среды, вследствие чего создается тяга для движения вперед. Прочие цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными на основе последующего подробного описания в привязке к чертежам.
Краткое описание чертежей
Полное понимание идеи настоящего изобретение может быть достигнуто в привязке к прилагаемым чертежам, рассматриваемым вместе с последующим подробным описанием, где
на фиг. 1 показано перспективное изображение одного из вариантов осуществления колеблющегося движителя;
на фиг. 1А показано перспективное изображение варианта осуществления, изображенного на фиг. 1, который снабжен импульсной пластиной;
на фиг. 2 показано перспективное изображение криволинейного тела, снабженного плоскими торцевыми крышками, с альтернативными вариантами закрепления исполнительного элемента;
на фиг. 3 показано перспективное изображение криволинейного тела, снабженного сферическими торцевыми крышками;
на фиг. 4 показано перспективное изображение варианта осуществления, изображенного на фиг. 3, на нижнем пределе длины;
на фиг. 4А показано перспективное изображение варианта осуществления, изображенного на фиг. 1, который сконфигурирован в виде тороидального криволинейного тела;
на фиг. 5 показан график зависимости тяги, создаваемой в воде, от размеров и геометрии сферического криволинейного тела радиусом 38 мм с частотой колебаний 30 ходов в секунду и длиной хода 19 мм;
на фиг. 6 показано перспективное изображение колеблющегося движителя, снабженного элементом, уменьшающим лобовое сопротивление;
на фиг. 6А показано перспективное изображение колеблющегося движителя, форма которого обеспечивает уменьшенное лобовое сопротивление;
на фиг. 6В показано перспективное изображение горизонтального колеблющегося движителя сложной конструкции, снабженного элементом, уменьшающим лобовое сопротивление;
на фиг. 6С показано перспективное изображение морского или речного судна (плавсредства), снабженного элементом, уменьшающим лобовое сопротивление, перед колеблющимся движителем;
на фиг. 7 показано перспективное изображение колеблющегося движителя с заборным отверстием для текучей среды, проходящим через выпуклую наружную переднюю поверхность и вогнутую внутреннюю заднюю поверхность криволинейного тела;
на фиг. 7А показано перспективное изображение колеблющегося движителя со щелевидным заборным отверстием, проходящим через выпуклую наружную переднюю поверхность и вогнутую внутреннюю заднюю поверхность криволинейного тела;
на фиг. 7В показано перспективное изображение колеблющегося движителя, изображенного на фиг. 4, с заборным отверстием, проходящим через выпуклую наружную переднюю поверхность и вогнутую внутреннюю заднюю поверхность криволинейного тела;
на фиг. 7С показано перспективное изображение колеблющегося движителя, изображенного на фиг. 4, с множеством заборных отверстий, проходящих через выпуклую наружную переднюю поверхность и вогнутую внутреннюю заднюю поверхность криволинейного тела;
на фиг. 7D показано перспективное изображение еще одного из вариантов осуществления колеблющегося движителя, изображенного на фиг. 4, с заборным отверстием;
на фиг. 8 показано перспективное изображение колеблющегося движителя, снабженного передним крылом и задним крылом;
на фиг. 8А показано перспективное изображение деталей конструкции с пространственным разделением переднего и заднего крыльев, изображенных на фиг. 8;
на фиг. 9 показан вид в разрезе колеблющегося движителя, снабженного впускным и выпускным отверстиями для смазочного материала, которые служат для образования снижающей трение смазочной полости поверх устройства;
на фиг. 10 показан вид в разрезе колеблющегося движителя, иллюстрирующий напорную камеру для смазочного материала с отверстиями, выпускное отверстие для смазочного материала и элемент, уменьшающий лобовое сопротивление;
на фиг. 11 показан вид в разрезе колеблющегося движителя, иллюстрирующий подачу смазочного материала в напорную камеру и на переднюю поверхность через отверстия, изображенные на фиг. 10;
на фиг. 12 показано перспективное изображение стилизованного катамарана, приводящегося в движение многоступенчатыми колеблющимися движителями;
на фиг. 13 показано перспективное изображение колеблющегося движителя с рычажным исполнительным элементом;
на фиг. 14 показано перспективное изображение стилизованного плавсредства, приводящегося в движение за счет активации поворота колеблющегося движителя, изображенного на фиг. 3;
на фиг. 15 показано перспективное изображение плавсредства, приводящегося в движение за счет действия источника движущей силы, обуславливающей возвратно-поступательные движения, на колеблющийся движитель и реакции на приложенную силу;
на фиг. 16 показано перспективное изображение плавсредства с приводом мускульной силой, которое может приводиться в движение за счет действия движущей силы и реакции на движущую силу, обуславливающую возвратно-поступательные движения, которая была приложена пользователем плавсредства;
на фиг. 17 показано перспективное изображение варианта осуществления колеблющегося движителя с системой отклонения вектора тяги;
на фиг. 18 показано перспективное изображение стилизованного воздушного судна, приводящегося в движение колеблющимся движителем в воздухе и воде; и
на фиг. 19 показано перспективное изображение воздушного судна, приводимого в движение мышечной силой с помощью колеблющегося движителя.
Сущность изобретения
Открытый сосуд, выполненный в виде криволинейного тела, например, сегмента сферы или цилиндра, может приводить в движение наружные текучие среды, выбрасывая их через выполненное в нем отверстие за счет совершения возвратно-поступательных или колебательных движений. Такой сосуд можно описать как устройство, содержащее выпуклую наружную переднюю поверхность с первым внешним краем и вогнутую внутреннюю заднюю поверхность со вторым внешним краем. Выпуклая наружная поверхность прочно соединена с вогнутой внутренней поверхностью по существу концентрическим образом, задавая сосуд с отверстием. При совершении колебательных движений окружающие текучие среды выталкиваются из сосуда через отверстие, стимулируя приток в сосуд замещающих текучих сред. Выброс текучих сред из сосуда создает силу тяги, которая заставляет сосуд двигаться в направлении, противоположном направлению выброса текучих сред. Таким образом, сосуд и все, с чем он соединен, например, какое-либо основание или судно, могут быть приведены в движение в направлении, противоположном направлению выброса окружающих текучих сред из устройства.
Величина силы тяги, создаваемой колеблющимся движителем согласно настоящему изобретению, прямо пропорциональна размерам сосуда, частоте колебаний и длине хода. На величину силу тяги, генерируемой при совершении колебаний, существенное влияние оказывают геометрические параметры сосуда; например, при колебаниях криволинейного тела сферической формы диаметром 38 мм с длиной хода 19 мм и частотой 30 ходов в секунду максимальная тяга достигается тогда, когда форма сосуда в профиле приближается к полусфере, как показано на фиг. 5: поперечное сечение сегментов сферы представлено с учетом показанных координат данных; углы выброса текучей среды при колебаниях сегментов сферы вдоль осей Y обозначены стрелками, при этом размер нижних стрелок сведен к минимуму для ясности представления.
Материалы и способы изготовления металлических, полимерных и композитных продуктов известны специалистам в данной области техники и могут быть использованы в производстве описываемого устройства. Сосуд с криволинейной поверхностью, например, в виде полусферы или части цилиндра, может быть выполнен из дерева, бамбука, скорлупы некоторых фруктов (например, кокоса), металлов, полимеров, композитов или сочетания указанных материалов. Может быть также использован любой другой материал, пригодный для использования и соответствующий условиям применения: к примеру, в судостроении могут быть использованы листы коррозионностойкой нержавеющей стали. Для создания сосуда могут модифицироваться и соединяться между собой имеющиеся на рынке трубки, баки, чашки, буи, сферы и части сфер. Описываемое устройство может быть изготовлено методом или сочетанием методов штамповки, прокатки, экструзии, отливки, литья под давлением, ковки или механической обработки дерева, металлов, листовой стали или полимеров. Может быть также использован любой другой приемлемый способ изготовления. Соединение деталей может выполняться методом сварки или иным способом, например, с помощью заклепок. Однако для снижения лобового сопротивления целесообразно использовать обтекаемый профиль, гидродинамический или аэродинамический. Материалы, а также соединительные материалы и способы, подходящие для подвергаемого интенсивной вибрации оборудования, известны специалисту в данной области техники и, следовательно, рекомендуются к использованию, в зависимости, разумеется, от конкретных параметров применения.
Нулевая или положительная плавучесть устройства в окружающих текучих средах может быть использована для устранения или управления механическими нагрузками или гравитационными нагрузками, обусловленными массой устройства во время совершения колебаний; такая плавучесть может быть достигнута за счет закрепления плавучих материалов непосредственно на движителе или за счет использования полой конструкции с двойными стенками, между которыми располагается заполнитель, плотность которого ниже плотности окружающей текучей среды; например, для работы в газообразной атмосфере может быть использован гелий или водород. Примерами заполнителя, который может быть использован для достижения требуемого уровня плавучести в жидкой текучей среде, такой как вода, могут служить вспененные полимеры, такие как полистирол и полиуретан. В промежутках между эксплуатацией колеблющийся движитель с длинным ходом, сохраняющий плавучесть в воде, может автоматически всплывать на максимально коротком расстоянии от судна в верхнем положении хода, что снижает риск повреждения движителя от столкновения с препятствиями в воде.
Сосуд, выполненный в виде сферы или цилиндра с вырезом или отверстием, который проиллюстрирован на фиг. 1-5, постепенно заполняется после его погружения в окружающие текучие среды, например, в воду. Ускорение сосуда в плоскости его отверстия с последующим внезапным остановом приводит к тому, что ускоренная вода выталкивается через отверстие вдоль кривизны внутренней вогнутой поверхности; при обратном ходе создается такая же струя выброса; вода также выбрасывается через отверстие по мере ускорения сосуда; при этом направление движения полученных в результате циклически выбрасываемых струй зависит от размера отверстия, т.е. чем шире отверстие, тем более параллельными становятся циклически выбрасываемые струи и тем больше тяга; если ширина отверстия приближается к диаметру сферы, выбрасываемые струи становятся более параллельными, а тяга достигает максимального значения; разрез по ширине отверстия за серединой сферы дает расхождение выбрасываемых струй (фиг. 5). Объем заключенной и выбрасываемой текучей среды также сокращается при уменьшении сегмента сферы или цилиндра.
Уменьшение размера дает уменьшение тяги. Циклическое ускорение окружающих текучих сред вдоль выпуклой поверхности способствует притоку текучей среды в устройство и ее прохождению через указанное устройство. Окружающие текучие среды поступают в устройство сбоку, как обозначено изогнутыми стрелками на фиг. 1, 4 и 4А. Дополнительные объемы текучей среды могут попадать внутрь через любой край отверстия, который не выбрасывает текучую среду, что зависит от частоты колебаний. Раскрытая динамика геометрии обеспечивает преобразование энергии текучей среды в тягу в рамках правил гидродинамики, соответствующих каждому отдельному случаю. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что могут быть использованы самые разные геометрические формы без существенного отступления от объема настоящего изобретения. И хотя автор изобретения полагает, что устройство может работать так, как это описано выше и так, как это будет описано ниже, он не хочет ограничиваться лишь этим.
Описываемое устройство может удерживаться и активироваться рукой пользователя или приводиться в действие путем его установки в направляющей; при этом активировать устройство может также качательно-колебательное движение судна, на котором оно закреплено. В предпочтительном варианте для активации возвратно-поступательного движения может быть предусмотрена управляющая ручка, расположенная, например, примерно посередине длины и диаметра устройства. Такая конструкция обеспечивает сбалансированное движение при совершении узлом возвратно-поступательных движений вверх и вниз или при его повороте из стороны в сторону. В альтернативном варианте управляющие ручки могут быть установлены на торцах цилиндра или закреплены в любой иной точке цилиндра, обеспечивающей удобство и эффективность эксплуатации. Указанные ручки могут быть выполнены в виде трубок или прутков, изготовленных из металла, полимера или композитных материалов; при этом для изготовления устройства согласно настоящему изобретению могут быть использованы любые другие пригодные материалы. Примеры критериев выбора пригодных для использования материалов включают в себя усталостную и коррозионную стойкость, продолжительность срока службы, простоту изготовления и другие характеристики, относящиеся к текучей среде и контексту использования.
Варианты выполнения настоящего изобретения
Для ясности и краткости изложения те признаки, чьи функции совпадают или в основном совпадают, будут обозначены на каждой фигуре или в каждом варианте осуществления префиксом с номером фигуры, на которой проиллюстрирован вариант этого признака, и номером признака, стоящим за префиксом, одинаковым для всех вариантов.
Основные варианты осуществления настоящего изобретения - фиг. 1-4 На фиг. 1 проиллюстрирован один из вариантов осуществления колеблющегося движителя согласно настоящему изобретению, представляющего собой криволинейное тело 130, которое характеризуется наличием выпуклой наружной передней поверхности и вогнутой внутренней задней поверхности. Выпуклая наружная поверхность представляет собой переднюю поверхность, когда описываемое устройство продвигается вперед через окружающую текучую среду. И наоборот, вогнутая внутренняя поверхность считается задней поверхностью. Выпуклая наружная передняя поверхность прочно, предпочтительно по существу концентрическим образом, соединена с вогнутой внутренней задней поверхностью, задавая сосуд, открытый для окружающей текучей среды.
Хотя такая структура типична для конструкций, в которых используют листовые материалы, таких как трубки и сферы, причина этого отличия станет понятной после ознакомления с раскрытыми ниже вариантами осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления рассчитан на ручное управление движением текучими средами и созданием тяги после активации возвратно-поступательного движения, как обозначено пунктирными линиями; при этом окружающие текучие среды ускоряются и выбрасываются из криволинейного тела 130 в начале и конце каждого хода, как обозначено прямыми стрелками, приводя в движение устройство и окружающие текучие среды в противоположных направлениях.
Согласно предпочтительному варианту диаметр устройства может быть подогнан по руке пользователя. Для облегчения управления может быть предусмотрена ременная петля или ручка. Движение криволинейного тела 130 может также направляться с помощью скользящего механизма или взаимодействующего с ним канала, что также облегчает ручное управление. Этот вариант осуществления может быть использован в качестве устройства для перемешивания текучей среды; при этом оно может активироваться дистанционно электромагнитными полями, подобно магнитной мешалке, рабочему колесу или иному устройству подобного рода; кроме того, он может быть использован в качестве реактивного микродвигателя при катании на лодках или плавании, при этом плавучий заполнитель может быть размещен в пространстве между выпуклой поверхностью и вогнутой поверхностью, аналогично напорной камере 1152, описанной ниже применительно к варианту осуществления, изображенному на фиг. 11. Согласно альтернативному варианту плавучий заполнитель может быть закреплен снаружи, предпочтительно в форме тела с малым лобовым сопротивлением.
Согласно предпочтительному варианту задний край отверстия сосуда сходит на конус с образованием острой кромки, так как между выпуклой поверхностью и отверстием может иметь место локальный кругооборот текучей среды вследствие возвратно-поступательного движения, особенно в статических условиях; при этом кругооборот текучей среды более заметен при более толстых и закругленных по радиусу краях, и при желании он может быть использован для приведения в движение потока текучей среды из отверстия сосуда в обратном направлении в сторону передней поверхности, хотя и с уменьшенной тягой. И наоборот, предпочтительно, чтобы все заборные и впускные отверстия устройства были скруглены по радиусу для стимулирования поступления потока текучей среды в устройство. Таким образом, в предпочтительном варианте стороны части цилиндра, изображенной на фиг. 1, скруглены по радиусу, особенно на толстых участках. Согласно еще одному варианту осуществления колеблющегося движителя, изображенного на фиг. 1, криволинейное тело 130 прочно соединено с исполнительным элементом 132. Исполнительный элемент 132 может быть снабжен отверстием 134 для соединения с источником движущей силы, таким как, например, поршневой двигатель или механизм возвратно-поступательного действия (не показан). К примеру, описываемое устройство может быть активировано посредством болтового соединения исполнительного элемента 132 с шатуном или удлинителем шатуна поршневого двигателя. Исполнительный элемент 132 может быть механически соединен с источником движущей силы любым другим безопасным и приемлемым способом. Если описываемое устройство приводится в действие с помощью мышечной силы, например, в прогулочных или спортивных судах, то исполнительный элемент 132 может характеризоваться эргономично целесообразной для пользователя длиной, которая задана в соответствии с требованиями к выигрышу в величине прилагаемого усилия за счет рычага.
Исполнительный элемент 132 соединен с криволинейным телом 130 в положении, которое обеспечивает приведение в действие криволинейного тела 130; примеры соединения с выпуклой поверхностью и - в альтернативном варианте - с вогнутой поверхностью или с обеими, а также с концами приведены на фиг. 2, при этом альтернативные варианты обозначены пунктирными линиями. На фиг. 3 проиллюстрирован еще один альтернативный вариант присоединения исполнительного элемента 332 поперек криволинейного тела 330. Движение исполнительного элемента 32 может направляться охватывающей муфтой, втулкой, качающимися рычагами или роликовым подшипником в сборе, прикрепленным к опорному основанию или судну: для фиксации ориентации тяги может быть использована квадратная скоба, при этом для регулирования направления тяги, например, для удержания на курсе или маневрирования, может быть использована круглая скоба, выполненная с возможностью вращения.
Как показано на фиг. 1А, к вогнутой внутренней задней поверхности криволинейного тела 1А30 прочно прикреплена импульсная пластина 1А72. Импульсная пластина 1А72 преобразует некоторое количество энергии движущейся текучей среды в сообщающий движение импульс перед ее выбросом за пределы вогнутой поверхности. Импульсная пластина 1А72 может быть изготовлена из легких материалов, обеспечивающих плавучесть движителя. К примерам материалов, пригодных для изготовления указанной пластины, относится вспененный полистирол, полиуретан, дерево и иные плавучие материалы, пригодные для использования. Исполнительный элемент 1А32 может быть снабжен отверстием 1А34 для соединения с источником движущей силы, таким как, например, поршневой двигатель (не показан).
Как показано на фиг. 2, криволинейное тело 230 может быть усилено плоскими торцевыми крышками 236. Плоская торцевая крышка 236 служит в качестве альтернативного узла крепления исполнительного элемента 232. Плоская торцевая крышка 236 может быть также использована для соединения устройства с основанием или судном.
Как показано на фиг. 3, криволинейное тело 330 может быть также усилено сферическими торцевыми крышками 338. Сферическая торцевая крышка 338 максимально увеличивает генерирование тяги за счет текучей среды, покидающей устройство с продольно направленным моментом, что имеет место в тех случаях, когда колеблющийся движитель поворачивается между своими конечными положениями. Механизм поворота, соединенный с судном, может быть шарнирно закреплен на исполнительном элементе 332 с помощью крепежа через отверстие 334. В случае закрепления на корабле боковая качка этого корабля в море обуславливает совершение подобных колебаний, генерирующих тягу за счет действия волн. Вертикальная качка корабля в море также способствует генерированию тяги устройством за счет совершения им возвратно-поступательных движений вверх и вниз.
Если длину устройства согласно настоящему изобретению, вариант осуществления которого проиллюстрирован на фиг. 3, уменьшить до минимума, то указанное устройство превратится в часть или сегмент сферы, как это показано на фиг. 4. Сферические торцевые крышки 438 объединятся, образуя сегмент сферы. Этот вариант осуществления может совершать возвратно-поступательные движения с помощью исполнительного элемента 432, соединенного с источником движущей силы через отверстие 434. Геометрия варианта осуществления, изображенного на фиг. 4, согласуется с базовой концепцией криволинейного тела, раскрытой выше, и поэтому может рассматриваться в настоящем документе в указанном качестве. После совершения возвратно-поступательного движения вдоль вертикальной оси исполнительного элемента 432 окружающая текучая среда выбрасывается в направлении, обозначенном верхним и нижним наборами прямых стрелок; при этом выброс текучей среды из сосуда инициирует приток замещающего объема окружающей текучей среды, как показано изогнутыми стрелками. Описываемое устройство и текучая среда выталкиваются или приводятся в движение в противоположных направлениях.
Как показано на фиг. 4А, сегмент цилиндра, изображенный на фиг. 1, изогнут таким образом, что криволинейное тело 4А30 принимает форму тора. Исполнительный элемент 4А32 может быть снабжен отверстием 4А34 для соединения, например, с механизмом возвратно-поступательного действия (не показан). Кольцеобразная форма криволинейного тела 4А30 обеспечивает преимущество жесткой конструкции, дополнительно усиленной исполнительным элементом 4А32. Ускорение и выброс текучей среды происходит как по внутренней, так и по наружной окружности тора, как показано двумя наборами стрелок сверху и снизу. Отверстие тора также служит впускным отверстием для текучей среды и форсажной камерой для увеличения тяги с учетом того, что текучая среда, выбрасываемая за пределы криволинейного тела 4A30, может захватывать или вызывать массовый поток текучей среды через отверстие тора, как показано двумя стрелками, соединенными штрихпунктирной линией. Текучая среда поступает внутрь криволинейного тела 4A30 сбоку, как это показано изогнутыми стрелками.
Геометрия криволинейного тела с точки зрения динамических свойств - фиг. 5 Геометрия криволинейного тела 30 колеблющегося движителя оказывает существенное влияние на тягу, генерируемую при колебаниях в воде (фиг. 5). Направление выброса текучей среды за пределы криволинейного тела 30 меняется в зависимости от поперечного профиля, как это показано стрелками. Хотя оптимальные размеры сегмента сферы колеблются в пределах 0,5-0,6 ее диаметра, как это проиллюстрировано на фиг. 5, специалисту в данной области техники очевидно, что указанное оптимальное значение может меняться с изменением физических и динамических свойств текучей среды; например, известно, что скорость потока текучей среды вдоль поверхности сферы влияет на местоположение точки отрыва потока и начала завихрения на поверхности сферы; при этом указанная точка смещается вниз по мере увеличения скорости; и эти факторы, в свою очередь, влияют на величину лобового сопротивления и, следовательно, на КПД генерируемой движущей силы. Таким образом, несмотря на то, что полусфера может наглядно демонстрировать принцип действия устройства, описанного в настоящем документе, оптимальная геометрия может зависеть от физико-химических свойств используемой текучей среды и условий, в которых она используется. Специалистам в данной области техники очевидно, что могут быть предусмотрены самые разные геометрические формы, обеспечивающие направление потока текучей среды вдоль поверхности и за пределы описываемого устройства без существенного отступления от объема настоящего изобретения.
Варианты осуществления с элементами и признаками, уменьшающими лобовое сопротивление - фиг. 6-11
Варианты осуществления, в которых используются водоотталкивающее материалы
Для уменьшения сопротивления движению или лобового сопротивления поверхности колеблющегося движителя могут быть покрыты отталкивающим текучую среду материалом или выполнены из такого материала. Примеры материалов, пригодных для использования в воде, включают в себя полимеры, силиконовые покрытия, воски и экологически чистые масла. Достижения в области нанотехнологий открыли новую эру супергидрофобных материалов с потенциалом уменьшения лобового сопротивления в сферах применения судовых двигательных установок; при этом покрытие колеблющегося движителя такими супергидрофобными материалами может уменьшить лобовое сопротивление и повысить КПД движителя.
Варианты осуществления настоящего изобретения. характеризующиеся гидродинамической формой для уменьшения лобового сопротивления - фиг. 6-6С
Криволинейное тело 6A30, проиллюстрированное на фиг. 6А, предпочтительно выполнено в виде эллиптического аэродинамического профиля/гидрокрыла или характеризуется любой иной формой, способной минимизировать лобовое сопротивление как в плоскости колебаний, так и в плоскости перемещения в окружающей текучей среде. Может быть также предусмотрен описанный выше исполнительный элемент 6А32, характеризующийся наличием отверстия 6А34. На фиг. 6 показан гидродинамический профиль колеблющегося движителя, образованный за счет соединения элемента 640, уменьшающего лобовое сопротивление, с криволинейным телом 630. Элемент 640, уменьшающий лобовое сопротивление, может быть также встроен в простой движитель в качестве его неотъемлемой части, как это показано на фиг. 6, или в составной движитель, как это показано на фиг. 6В. На фиг. 6В элемент 6В40, уменьшающий лобовое сопротивление, ориентирован горизонтально, обеспечивая возвратно-поступательные движения из стороны в сторону или поворот, как это будет подробнее описано ниже. Согласно варианту осуществления, проиллюстрированном на фиг. 6С, элемент 6С40, уменьшающий лобовое сопротивление, отделен от движителя 6С20 и установлен на судне С перед движителем 6С20. Элемент 6С40, уменьшающий лобовое сопротивление, может представлять собой сосуд судна С; или же - в предпочтительном варианте - он может быть выполнен в виде отдельного элемента, изготовленного из плавучих материалов для поддержания судна на плаву. Элемент 6С40, уменьшающий лобовое сопротивление, может также характеризоваться наличием поверхности, сообщающей поступательное движение, которая выполнена в виде вогнутой задней поверхности, подобной той, которая описана в отношении движителя 6С20. Может быть также предусмотрена смазка движения, в предпочтительном варианте - на кончике элемента 6С40, что будет подробнее описано ниже. Двигатель М на судне С активирует движитель 6С20, а также само судно С и элемент 6С40, уменьшающий лобовое сопротивление, за счет реактивного момента.
Согласно еще одному варианту осуществления конфигурация, изображенная на фиг. 6С, представляет собой пропульсивный модуль; судно С, изображенное на фиг. 6С, таким образом, становится просто установочной плитой, соединяющей пропульсивный модуль с судном (не показано). Для еще большего уменьшения лобового сопротивления может быть предусмотрена подача смазочного материала в переднюю часть элемента 6С40, уменьшающего лобовое сопротивление, что будет подробно описано в привязке к фиг. 9-11.
Как показано на фиг. 7, лобовое сопротивление колеблющегося движителя может быть также уменьшено путем вырезания или выполнения заборного отверстия 742, проходящего через переднюю выпуклую поверхность и заднюю вогнутую поверхность криволинейного тела 730. Этот вариант осуществления дает преимущество, заключающееся в уменьшении лобового сопротивления при более высоких скоростях движения, так как резкий прилив текучей среды обеспечивает динамическое уплотнение, которое препятствует уменьшению тяги вследствие протечек в направлении движения. Размер этого отверстия может быть эффективно задан таким образом, чтобы уменьшить фронтальную зону давления торможения, обусловленную гидродинамическими характеристиками сферы; при этом указанная зона согласно полученным данным распространяется почти на половину диаметра сферы и известна специалисту в данной области техники.
Исполнительный элемент 732 может быть снабжен отверстием 734 для соединения с источником движущей силы. Согласно этому варианту осуществления полученный в итоге движитель представляет собой по существу узел, характеризующийся наличием спаренных дугообразных или изогнутых поверхностей. При эксплуатации в частично погруженном состоянии этот вариант осуществления движителя может быть сведен к конструкции, состоящей из одной изогнутой пластины, по-прежнему способной приводить в движение текучие среды, обеспечивая перемещение вперед даже с меньшим лобовым сопротивлением.
Согласно варианту осуществления, проиллюстрированном на фиг. 7А, заборное отверстие 7А42 выполнено в виде множества щелевых отверстий, вырезанных в криволинейном теле 7А30; этот вариант осуществления повышает прочность конструкции, особенно колеблющихся движителей большого размера или там, где предполагается высокое механическое напряжение. Исполнительный элемент 7А32 может быть снабжен отверстием 7А34 для соединения с источником движущей силы. На фиг. 7В-7С показаны заборные отверстия 7В42, 7С42 и 7D42, уменьшающие лобовое сопротивление варианта осуществления движителя, выполненного в виде полусферы, который показан на фиг. 4. На фиг. 7С заборное отверстие 7С42 представлено в виде множества отверстий. На фиг. 7D показано альтернативное боковое расположение заборного отверстия 7D42.
Исполнительные элементы 7В32, 7С32 и 7D32 могут быть снабжены отверстиями 7В34, 7С34 и 7D34, предназначенными для соединения с источником движущей силы, таким как, например, поршневой двигатель (не показан).
Как показано на фиг. 8, элемент, уменьшающий лобовое сопротивление, может быть также выполнен в виде переднего крыла 844, прочно соединенного с криволинейным телом 830. Переднее крыло 844 выполнено с возможностью отклонения фронтальной зоны давления торможения, обусловленной гидродинамическими характеристиками сферы. Крыло, установленное на судне перед криволинейным телом 30, будет функционировать аналогичным образом в рамках ограничений соответствующих гидродинамических характеристик. Переднее крыло 844 действует в качестве ускорителя текучей среды первой ступени, который подает текучую среду в ускоритель второй ступени, представляющий собой криволинейное тело 830. К криволинейному телу 830 может быть также прикреплено заднее крыло 846.
Детали одного способа выполнения переднего крыла 844 и заднего крыла 846 представлены на фиг. 8А: упругая гибкая пластина 8А76 расположена между парными полуцилиндрами, в которых просверлены крепежные отверстия; крепежные детали, представленные в данном случае в виде четырех винтов или болтов, используют для соединения упругой пластины 8А76 с парными полуцилиндрами по линиям проекции с целью получения крыла с цилиндрической головкой 8А74. К примерам материалов, которые могут быть использованы для изготовления упругой пластины 8А76, относятся полимерные, композитные, металлические или деревянные листы. Для изготовления цилиндрической головки 8А74 могут быть использованы прутки или трубки из аналогичных материалов.
К примеру, рабочее пропульсивное крыло может быть получено путем соединения упругой виниловой пластины толщиной 1 мм, выполненной в виде квадрата со стороной 30 мм, с прутком диаметром 1-2 мм и длиной 30 мм под прямым углом к его центральной линии. Размер и толщина пластины и размеры прутка могут быть масштабированы в сторону уменьшения или увеличения в зависимости от величины усилия, сгибающего упругую пластину в используемой текучей среде. Угол между цилиндрической головкой 8А74 и упругой пластиной 8А76 может быть заполнен гибким полимером для обеспечения плавного перехода цилиндрической головки 8А74 в упругую пластину 8А76. Исполнительные элементы 832 и 8А32 могут быть снабжены отверстиями 834 и 8А34 для соединения с источником движущей силы.
Помимо уменьшения лобового сопротивления переднее крыло 844 и заднее крыло 846 также обеспечивают преимущество, заключающееся в создании дополнительной тяги, особенно при низких скоростях движения. После совершения колебательного движения цилиндрическая головка 8А74 ускоряет окружающую текучую среду, которая дополнительно ускоряется за счет периодически меняющейся кривизны упругой пластины 8А76 вследствие ее изгибания, обозначенного на фигуре пунктирными линиями. Окружающая текучая среда приводится в движение в направлении, обозначенном стрелками (см. фиг. 8), заставляя крылья 844 и 846 и все, что к ним присоединено двигаться в противоположном направлении. Динамические характеристики судовых движителей с крыльями известны специалисту в данной области техники.
Варианты осуществления настоящего изобретения, в которых для уменьшения лобового сопротивления используется снижающая трение смазочная полость - фиг. 9-11
При высокой частоте колебаний и скорости движения, например, в воде, в колеблющемся движителе может возникать кавитация. В альтернативном варианте для уменьшения лобового сопротивления в окружающей текучей среде поверхности колеблющегося движителя могут покрываться текучей средой меньшей плотности или быстродвижущейся текучей средой. Средства формирования снижающее трение смазочной полости могут составлять единое целое с движителем; или же они могут быть установлены независимо от движителя, например, на самом судне С или на элементе 6С40, уменьшающим лобовое сопротивление, который описан выше в привязке к фиг. 6С; на фиг. 9 показано сечение колеблющегося движителя, снабженного исполнительным элементом 932, сообщающимся по текучей среде с впускным отверстием 948 для смазочного материала и выпускным отверстием 950 для смазочного материала. Текучая среда под давлением, такая как воздух или вода, подается в выпускное отверстие 950 для смазочного материала из впускного отверстия 948 для смазочного материала через исполнительный элемент 932, как это показано стрелками. Текучая среда под давлением выходит из выпускного отверстия 950 в радиальном направлении, покрывая выпуклую переднюю поверхность криволинейного тела 930 и, следовательно, облегчая движение устройства в окружающей текучей среде. При подаче текучей среды под давлением на впускное отверстие 948 для смазочного материала необходимо учитывать возвратно-поступательное движение колеблющегося движителя, что достигается, например, с помощью гибкого шланга или подвижных уплотнений.
В альтернативном варианте система подачи текучей среды в снижающую трение смазочную полость может быть установлена в фиксированном положении, например, на переднем кончике элемента с низким лобовым сопротивлением (фиг. 6С) перед колеблющимся движителем, обеспечивая покрытие колеблющегося движителя снижающей трение средой.
Как показано на фиг. 10, снижающая трение смазочная полость может быть также образована посредством встроенной напорной камеры 1052 с двойными стенками, которая располагается между выпуклой наружной передней поверхностью и вогнутой внутренней задней поверхностью криволинейного тела 1030. В напорной камере 1052 просверлено, по меньшей мере, одно отверстие 1034, предназначенное для подачи текучей среды под давлением от исполнительного элемента 1032 на выпуклую наружную переднюю поверхность криволинейного тела 1030. На фиг. 11 проиллюстрирована подача и движение текучей среды под давлением, обозначенное стрелками, от усеченного исполнительного элемента 1132 в напорную камеру 1152 и на выпуклую наружную переднюю поверхность криволинейного тела 1130 через отверстия 1034 (показаны на фиг. 10).
В альтернативном варианте, как показано на фиг. 10, текучая среда под давлением может подаваться через выпускное отверстие 1050 для смазочного материала, расположенное перед криволинейным телом 1030; согласно этому варианту осуществления заявленного изобретения текучая среда под давлением растекается в форме конуса по передней поверхности криволинейного тела 1030 так, как это обозначено стрелками. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения с элементом 1040, уменьшающим лобовое сопротивление, пример которого приведен на фиг. 6, текучая среда под давлением может направляться по поверхности элемента 1040, уменьшающего лобовое сопротивление. Исполнительный элемент 32 также может смазываться аналогичным образом с использованием или без использования двустенной напорной камеры 52.
Стимулирование образования снижающей трение смазочной полости Поверхность колеблющегося движителя может быть обработана или выполнена с возможностью стимулирования образования граничного слоя окружающей текучей среды с уменьшенной вязкостью, что обеспечивается, например, за счет явления кавитации в воде; к примерам такой обработки поверхности можно отнести пескоструйную обработку, формирование ямок и микроструктур, которые уменьшают поверхностное трение с окружающей текучей средой. Поверхность, схожая с поверхностью мячей для гольфа или, по меньшей мере, одного типа футбольных мячей, известного как Jabulani, спроектирована таким образом, чтобы уменьшать лобовое сопротивление за счет поверхностных структур, таких как ямки, шипы и гребни. Механические вибрации, порождаемые источником движущей силы и механизмами, совершающими возвратно-поступательные движения, также могут способствовать возникновению кавитации на поверхности движителя и опорного основания, снижая лобовое сопротивление. Предполагается, что колеблющийся движитель продолжит функционировать в условиях суперкавитации, поскольку ускорение и поступление объема быстродвижущейся текучей среды на вогнутую поверхность перед ее выбросом может обеспечить временное сжатие входящих в состав текучей среды газов перед их выбросом с резким расширением.
Принцип действия устройства - фиг. 1, 12-14 и 15-19
Устройство согласно настоящему изобретению может управляться вручную, например, как в случае с веслами или гребными колесами, но с дополнительным преимуществом реактивного движения за счет хода вверх и вниз, а также поворотного движения. Возвратно-поступательные движения устройства ускоряют поступающую в него текучую среду перед ее выбросом за пределы вогнутой задней поверхности в начале и конце каждого хода. Выброс текучей среды сообщает колеблющемуся движителю и всему, с чем он соединен реактивный движущий момент. Выброс текучей среды за пределы устройства инициирует приток окружающей текучей среды для следующего хода и так далее, что происходит до тех пор, пока устройство совершает колебательные или возвратно-поступательные движения.
В статическом положении тяга может быть сгенерирована, главным образом, за счет реакции колеблющегося движителя на массу и скорость выброшенной текучей среды; по мере увеличения потока текучей среды, обтекающего колеблющийся движитель, момент текучей среды может также передаваться на колеблющийся движитель. Таким образом, при увеличении скорости движения или перемещения возрастает и тяга; однако возрастание скорости ограничено лобовым сопротивлением колеблющегося движителя. Для нивелирования этого ограничения могут быть использованы варианты осуществления настоящего изобретения с элементами и признаками, уменьшающими лобовое сопротивление, которые были описаны выше.
Касательно любой текучей среды и любого варианта осуществления устройства согласно настоящему изобретению следует отметить, что на генерируемую тягу оказывает влияние, главным образом, объем текучей среды, который может быть размещен в колеблющемся движителе, частота колебаний или ходов, длина хода и скорость перемещения. Устройство может быть закреплено на судне, обеспечивая его движение вперед. Колебания устройства совершаются в линейном режиме с ходами вверх и вниз, как это показано на фиг. 1 и 12; возможны также колебательные движение устройства в радиальном направлении, т.е. из стороны в сторону, или поворотные движения, как представлено при помощи рычагов, изображенных на фиг. 13 и 14, и описано ниже в разделе «Промышленная применимость». На этих фигурах крайние положения колеблющегося движителя обозначены пунктирными линиями. Стрелки указывают направление выброса текучей среды за пределы колеблющегося движителя. Реактивное движение колеблющегося движителя осуществляется в направлении, противоположном направлению выброса текучей среды. С колеблющимся движителем может быть соединен поршневой двигатель, подключаемый напрямую через шатун, поршень или удлинитель шатуна или поршня, что устраняет необходимость в маховике, коленвале и других узлах, обычно используемых с поршневым двигателем. Такой упрощенный и облегченный двигатель повышает эффективность, пригодность к эксплуатации и конкурентоспособность настоящего изобретения на рынке движительных систем.
В альтернативном варианте для приведения в действие колеблющегося движителя вместе с существующими двигателями разного типа могут быть использованы преобразователи вращательного движения в возвратно-поступательное движение. К примерам пригодных для использования преобразователей движения относятся кривошипно-шатунные механизмы и устройства на основе треугольного шатуна (шотландского механизма). Для приведения в действие колеблющегося движителя также могут быть использованы электрические генераторы колебаний, генераторы колебаний с гидроприводом и ветряные генераторы колебаний. Исполнительный элемент 32 может направляться втулками, роликовыми направляющими, специальным каналом или рычагами коромысла, которые используются в некоторых пилах с возвратно-поступательным движением полотна. В области отдыха, спорта и других общих областях применения движущая сила может создаваться мышечными усилиями пользователя (фиг. 16 и 19), что подробнее описано ниже.
Промышленная применимость
Гидронасосы, суда - морские или речные суда (плавучие средства) и воздушные суда
Колеблющийся движитель применяется, в общем, для перемещения текучих сред; при этом он может быть установлен как в закрытом сосуде, например, при использовании в насосах, так и в открытом сосуде, например, для перемешивания, аэрации жидкостей или вентиляции. При установке на судне описываемое устройство может представлять собой средство, приводящее в движение судно с целью его перемещения или транспортировки в текучей среде или по текучей среде за счет энергии волн или источника движущей силы, установленного на борту.
Морские или речные суда (плавсредства)
Один из примеров плавсредства, приводимого в движение с помощью описываемого устройства, приведен на фиг. 12. Колеблющиеся движители 1220, приводимые в действие двигателями M1 и М2, совершают возвратно-поступательные движения вверх и вниз, забирая воду, ускоряя ее и выбрасывая в направлении, противоположном направлению движения плавсредства; при этом выброс воды придает колеблющимся движителям 1220 и, следовательно, судну, на котором они установлены, реактивный движущий момент. Направление выброса воды обозначено нижними стрелками; при этом направление движения судна противоположно направлению выброса воды, как это показано верхней стрелкой. Колеблющиеся движители могут быть объединены в тандемную или многоступенчатую систему, как показано на фиг. 12; согласно одному варианту осуществления передний движитель 1220d выполняет функцию ускорителя текучей среды первой ступени для заднего движителя 1220е. Толкающее усилие возрастает, а скорость судна увеличивается, что приводит к увеличению скорости выброса текучей среды, и этот цикл все время повторяется. В результате чего скорость движения судна непрерывно возрастает и ограничивается, главным образом, максимально возможной мощностью и лобовым сопротивлением.
Может быть предусмотрена альтернативная многодвигательная установка с тремя и более движителями 1220а, 1220b и 1220с, установленными на одном исполнительном элементе 1232; при этом движитель 1220а устанавливается перед движителями 1220b и 1220с меньшего размера с тем, чтобы подавать выбрасываемую текучую среду в заборные отверстия движителей 1220b и 1220с. Во время работы описываемое устройство служит также источником выработки энергии, как это делают гребные винты, преобразующие энергию потока жидкости в механическую работу. На фиг. 13 проиллюстрирован колеблющийся движитель, снабженный исполнительным элементом 1332, который перемещается как рычаг относительно оси 1354 поворота при управлении в ручном режиме или с использованием привода. Ось 1354 поворота может быть соединена с судном или устройством, приводимым в движение. Возвратно-поступательные движения входного плеча рычага, обозначенные верхними стрелками, инициируют возвратно-поступательные движения криволинейного тела 1330 на выходном плече рычага; при совершении возвратно-поступательных движений в криволинейное тело 1330 поступает окружающая текучая среда, которая ускоряется указанным телом и выбрасывается за его пределы так, как показано нижними стрелками.
Согласно этому варианту осуществления предусмотрена также центробежная составляющая ускорения, обусловленная дугообразной траекторией поворота; центробежный выброс обозначен самыми нижними стрелками; при этом он может характеризоваться тангенциальным смещением, что зависит от длины и частоты хода. Выброс текучей среды придает колеблющемуся движителю и его оснастке реактивный движущий момент. В результате чего колеблющийся движитель и все, что к нему присоединено, приводится в движение или выталкивается в направлении, противоположном направлению выброса текучей среды.
На фиг. 14 представлено стилизованное изображение плавсредства, снабженного рычагом с высоким передаточным отношением в виде исполнительного элемента 1432, который поворачивается относительно оси 1454 поворота. Активация колеблющегося движителя 1420 двигателем М приводит к совершению этим устройством колебаний в качающемся режиме, которые обозначены штрихпунктирными линиями. Колеблющийся движитель 1420 забирает воду, ускоряет ее и выбрасывает в направлении, противоположном направлению движения плавсредства, как это показано нижними стрелками; при этом выброс воды придает колеблющемуся движителю 1420 и судну, на котором он установлен, реактивный движущий момент. Направление движения судна противоположно направлению выброса воды, как это показано стрелками в верхней части фигуры.
Инновационные идеи, которые были использованы в судах, приводимых в движение колеблющимся движителем, проиллюстрированы на фиг. 15-19. Хотя в иллюстративных целях эти варианты осуществления настоящего изобретения описаны на примерах морских или речных судов (плавсредств) и воздушных судов, указанные идеи относятся, в общем, к жидким текучим средам и сжиженным веществам, и могут быть соответствующим образом адаптированы. На фиг. 15 плавучее основание В снабжено колеблющимся движителем 1520а, установленным в его передней части в горизонтальном положении и создающим тягу в направлении, обратном направлению движения; и колеблющимся движителем 1520b, установленным в его задней части и функционально закрепленным на основании В. На основании В установлен также двигатель M1, который приводит в действие колеблющийся движитель 1520с. Кроме того, на основании В закреплен с возможностью вращения двигатель М2, который приводит в действие колеблющийся движитель 1520d, установленный в вертикальном положении.
После приведения в действие колеблющийся движитель 1520с выбрасывает воду назад в направлении, обозначенном стрелкой-указателем, заставляя судно двигаться вперед. Возвратно-поступательное движение колеблющегося движителя 1520с, инициированное двигателем M1, обуславливает реактивное движение основания В вверх и вниз, активируя тем самым колеблющиеся движители 1520а и 1520b, расположенные спереди и сзади, как это показано штрихпунктирными линиями и стрелками-указателями направления тяги.
Пропульсивная эффективность может быть максимально повышена за счет действия движущей силы вследствие возвратно-поступательных движений и противодействия этой силе. Рулевое управление и дополнительная тяга обеспечиваются колеблющимся движителем 1520d, совершающим возвратно-поступательные движения с помощью двигателя М2, поворачиваясь в радиальном направлении, обозначенным дугой с двумя стрелками. В альтернативном варианте колеблющийся движитель 1520с может быть установлен с возможностью вращения на основании В; или же на судне может быть установлен обычный руль, обеспечивающий рулевое управление. Восстановление реактивного момента и его применение для приведения в движение являются одним из преимуществ этого варианта осуществления настоящего изобретения.
Судно, показанное на фиг. 15, может удерживаться на плаву колеблющимися движителями, представляя собой тип судна на подводных крыльях; в этом случае колеблющиеся движители становятся пропульсивными гидрокрыльями с регулируемым углом тяги по типу существующих систем регулирования углов гидрокрыла. В альтернативном варианте колеблющиеся движители, обладающие некоторой плавучестью, могут использоваться в судах, снимающих с водной поверхности пену и плавающие вещества. Плавучесть может обеспечиваться за счет использования заполнителей, как это было описано выше. Кроме того, переднее крыло 44 и заднее крыло 46, показанные на фиг. 8, также могут быть изготовлены из плавучих материалов, таких как листы и маты из гидрофобных пенополимеров.
Плавучее средство, приводимое в движение мускульной силой с помощью описываемого устройства, проиллюстрировано на фиг. 16. Плавучее основание В снабжено колеблющимся движителем 1620а, установленным в его передней части в горизонтальном положении и создающим тягу в направлении, обратном направлению движения, и аналогичным колеблющимся движителем 1620b, установленным в его задней части и функционально закрепленным на основании В. На основании В предусмотрена, по меньшей мере, одна педаль 1666, закрепленная в виде рычага на оси 1654 поворота и толкающая колеблющийся движитель 1620с вниз при нажатии на нее, например, ногой. Колеблющийся движитель 1620с закреплен на основании с возможностью скольжения посредством муфты прямоугольного сечения, охватывающей исполнительный элемент 1632. С педалью 1666 шарнирно соединена, по меньшей мере, одна ручка 1668, которую можно оттянуть рукой, например, для того, чтобы инициировать ход вверх колеблющегося движителя 1620с.
В альтернативном варианте ход вверх может автоматически инициироваться пружиной 1670, заставляющей педаль 1666 двигаться вверх. Возвратно-поступательное движение колеблющегося движителя 1620с с помощью педали 1666 и ручки 1668 инициирует реактивное движение основания В вверх и вниз, активируя тем самым колеблющиеся движители 1620а и 1620b, расположенные спереди и сзади. Срабатывание колеблющихся движителей толкает воду в направлении, обозначенном стрелками, заставляя судно двигаться в противоположном направлении. Рулевое управление может осуществляться с помощью обычного руля или за счет создания различной тяги сдвоенными колеблющимися движителями, как показано на фиг. 16.
Пропульсивная эффективность может быть максимально повышена за счет действия движущей силы вследствие возвратно-поступательных движений, прилагаемой пользователем, и противодействия этой силе. Для приведения в действие этого варианта осуществления описываемого устройства могут быть использованы и иные системы привода; примеры альтернативных приводных систем описаны в патенте США №2,979,018, выданном Бердсолу (Birdsall) в 1961 году, и в патенте США №3,236,203, выданном Бремсону (Bramson) в 1966 году.
Варианты осуществления настоящего изобретения с регулированием вектора тяги и направления движения - фиг. 15 и 17.
Двигатель М2, представленный на фиг. 15, может поворачиваться относительно основания В для создания тяги, регулируемой по направлению или направлению и величине, при помощи колеблющегося движителя 1520d с целью изменения, при необходимости, направления движения судна. Для управления судна может быть также использован обычный руль. Альтернативный вариант осуществления системы отклонения вектора тяги, особенно эффективный в тех случаях, когда на судне С закреплены двигатели, показан на фиг. 17. Исполнительный элемент 1732 колеблющегося движителя 1720 соединен с возможностью вращения с механизмом 1760 передачи движения двигателя М через предпочтительно облегченный подшипник 1756. Ручка 1758 управления функционально прикреплена на первом конце к исполнительному элементу 1732 и заходит в U-образную направляющую или щелевое отверстие 1762 рулевого элемента 1764 на втором конце. Рулевой элемент 1764 соединен с подшипником 1756а, обеспечивая эффективное вращение вокруг вертикальной оси исполнительного элемента 1732. Подшипник 1756а соединен с судном С и входит в зацепление с возможностью скольжения с исполнительным элементом 1732.
В альтернативном варианте подшипник 1756а может быть закреплен на основании двигателя М, образуя двигательно-рулевой блок, выполненный с возможностью съема с судна. Этот вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает вращение и управление колеблющимся движителем 1720 при совершении им колебательных движений, как показано штрихпунктирными линиями. На втором конце ручки 1758 управления может быть закреплен один или несколько магнитов (не показаны), напротив аналогичных полюсных магнитов, установленных на направляющей 1762; в этом варианте осуществления заявленного изобретения по существу предусмотрен магнитный подшипник, обеспечивающий работу описываемого устройства с уменьшенными механическими помехами и сопутствующим шумом; при этом ручка 1758 управления центрируется в U-образной направляющей 1762 за счет взаимного отталкивания противолежащих магнитов.
Могут применяться и иные системы гашения и смягчения вибрации, такие как, например, полимер-каучуки. Управление может осуществляться за счет ручного перемещения рулевого элемента 1764 или с помощью электрических средств, таких как серводвигатели. С рулевым элементом 1764 могут быть также соединены рулевые устройства обычного типа, такие как, например, штурвал.
Описанная система отклонения вектора тяги при необходимости может быть использована с вариантами осуществления настоящего изобретения; она может быть также использована, в общем, для совершения маневров и изменения направления движения в других колебательных системах, а также в качестве активного тормозного устройства в случае создания тяги в направлении, противоположном направлению движения, для замедления или останова судна. Ручка 1758 управления может быть соединена с впускным отверстием 948 для смазочного материала согласно варианту осуществления настоящего изобретения, изображенному на фиг. 9, образуя канал двойного назначения, который обеспечивает подачу смазочного материала и рулевое управление.
Воздушное судно
Приведение в движение воздушного судна может быть достигнуто за счет установки описываемого устройства на судне и его срабатывания, как показано на фиг. 18. Колеблющийся движитель 1820 может быть использован для приведения в движение воздуха; или же он может быть адаптирован к работе в погруженном состоянии в воде, как это показано штрихпунктирными линиями. Колеблющийся движитель 1820 активируется двигателем М, толкая массу воздуха назад, как это обозначено верхней стрелкой; в погруженном состоянии, обозначенном штрихпунктирной линией, назад выбрасывается вода, как это показано нижней стрелкой, толкая судно вперед и поднимая его из воды; при этом колеблющийся движитель остается погруженным или частично погруженным, тогда как судно парит в воздухе.
Это гибридное воздушно-плавучее средство, приводимое в движение водой, обеспечивает преимущество высокой тяги в воде за счет того, что часть массы судна поглощается водой. Сниженное лобовое сопротивление судна, в сравнении с плавсредством такого же размера, является еще одним преимуществом этого варианта осуществления настоящего изобретения. Описываемое судно пользуется преимуществом эффекта обтекания крыла с учетом влияния земли, который улучшает характеристики подъемной силы. Этот вариант осуществления судна характеризуется определенной автономностью в полностью аэродинамическом полете, когда достигается достаточная скорость для отрыва от воды, и судно по инерции совершает кратковременный полет. В альтернативных вариантах могут быть установлены как водные, так и воздушные движительные системы, которые могут использоваться в универсальном гибридном судне, перемещающемся по воде и в воздухе, по мере необходимости.
На фиг. 19 показан вариант осуществления воздушного судна, приводимого в движение мускульной силой с помощью описываемого устройства. К основанию В прикреплена, по меньшей мере, одна рычажная система с входными плечами в виде педали 1966 и ручки 1968 посредством подшипника 1956 на оси поворота. С выходным плечом рычага функционально соединен, по меньшей мере, один колеблющийся движитель 1920. Активация педали 1966 и ручки 1968, например, ногой или рукой приводит к раскачиванию колеблющегося движителя 1920 по дуге, как это показано верхними стрелками. Масса воздуха толкается вниз от колеблющегося движителя 1920, создавая подъемную силу, как это показано нижними стрелками.
Размеры и количество колеблющихся движителей 1920, частота и длина хода должны быть достаточными для того, чтобы поднять полную массу судна вместе с его содержимым. Двухрычажная система, показанная на фиг. 19, эффективна для обеспечения равновесия пользователя. Пользователю понадобится страховочная подвесная система, закрепляемая на предохранительной опоре А (не показана). Страховочная подвесная система, используемая в парашютном спорте, при совершении затяжных прыжков с парашютом и прочих действий подобного рода, может быть закреплена на судне для обеспечения безопасности пользователя.
Хотя в примере, приведенном на фиг. 19, показан прямой привод множества колеблющихся движителей, следует понимать, что в любом варианте конструкции этого варианта осуществления судна может быть также использован и непрямой привод с мультиплицированием частоты ходов при необходимости генерирования большей тяги. Например, система ручного и педального привода велосипедного типа может быть соединена с механизмом на основе треугольного шатуна для того, чтобы устройство согласно настоящему изобретению могло совершать колебания с эффективной длиной и частотой ходов.
Поскольку прочие модификации и изменения, в которые внесены поправки для обеспечения их соответствия конкретным эксплуатационным требованиям и внешним условиям, будут очевидны специалистам в данной области техники, настоящее изобретение не ограничивается примером, выбранным для рассмотрения, а охватывает все изменения и модификации, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.
Кроме того, объем правовой охраны раскрытого в настоящем документе изобретения ограничивается лишь прилагаемой формулой изобретения.
Легенда:
20 колеблющийся движитель
30 криволинейное тело
32 исполнительный элемент
34 отверстие
36 плоская торцевая крышка
38 сферическая торцевая крышка
40 элемент, уменьшающий лобовое сопротивление
42 заборное отверстие
44 переднее крыло
46 заднее крыло
48 впускное отверстие для смазочного материала
50 выпускное отверстие для смазочного материала
52 напорная камера
54 ось поворота
56 подшипник
58 ручка управления
60 механизм передачи движения
62 направляющая
64 рулевой элемент
66 педаль
68 ручка
70 пружина
72 импульсная пластина
74 цилиндрическая головка
76 упругая пластина.
Реферат
Изобретение относится к движительным системам, в частности к устройствам, которые приводят в движение текучие среды и суда, совершая колебательные движения. Криволинейное тело для приведения в движение текучих сред, судов и использования энергии текучей среды характеризуется наличием выпуклой наружной передней поверхности, прочно прикрепленной к вогнутой внутренней задней поверхности для задания открытого сосуда. При совершении колебательного движения окружающие текучие среды ускоряются и выбрасываются за сосуд, в результате чего криволинейное тело и окружающие текучие среды приводятся в движение в противоположных направлениях. Криволинейное тело прикреплено к источнику движущей силы напрямую или через исполнительный элемент, прикрепляемый к предложенному устройству при помощи отверстия. Колеблющийся движитель может приводиться в действие напрямую источником движущей силы, совершающим возвратно-поступательные движения, или опосредованно за счет реактивного момента, передаваемого опорному основанию. Достигается отклонение вектора тяги за счет вращения криволинейного тела относительно опорного основания, уменьшение лобового сопротивления за счет использования гидродинамических форм, заборных отверстий, переднего крыла, заднего крыла и снижающей трение смазочной полости и повышение пропульсивной способности за счет использования многоступенчатых колеблющихся движителей. 4 н. и 30 з.п. ф-лы, 29 ил.
