ES2351051T3 - Aparato generador de empuje. - Google Patents

Abstract

Un arreglo generador de empuje que comprende medios para hacer que un fluido fluya radialmente hacia fuera desde una posición central sobre una cubierta que tiene una superficie con curvatura convexa doble alrededor de un eje, sirviendo esta superficie para desviar el flujo radial hacia una dirección axial mediante el funcionamiento del efecto Coanda y teniendo un radio de curvatura que disminuye progresivamente más lentamente al aumentar la distancia desde el eje hasta un punto, cercano a pero separado de, un borde periférico de la cubierta; caracterizado por una parte periférica que se extiende desde la superficie curvada hasta el borde periférico que es sustancialmente recta en la dirección del flujo.

Description

Esta invención se refiere a un aparato que usa el efecto Coanda para desviar un flujo de fluido, produciendo de este modo un empuje deseado.

El efecto Coanda es un fenómeno que tiende a mantener a un chorro de fluido unido a una superficie sobre la que fluye. Se describe en un artículo de Gregory-Smith titulado “The Discharge from a thin slot over a surface of convex curvature” (Int. J. Mech. Sci. Vol 24 No. 6 págs. 329-339). Este artículo describe un estudio experimental para determinar el radio mínimo r que seguirá el chorro sin separarse de éste.

Los resultados de los experimentos anteriores muestran que, para cualquier proporción P0/Pa, (donde P0 es la presión total y Pa es la presión ambiental) hay un valor de b/r (donde b es la anchura del chorro) por debajo del cual el chorro estará unido a la superficie curvada.

Por encima de este valor hay un intervalo de valores de b/r donde el chorro es biestable en el sentido en que, al inicio, el chorro se separará de la superficie curvada pero, si es forzado a seguirla por algún efecto externo, entonces permanecerá unido a ésta.

Por encima de otro valor, el chorro se separará de la superficie curvada y el efecto Coanda no existe.

La bibliografía existente incluye muchas descripciones de máquinas voladoras en forma de “platillos” invertidos. Por ejemplo, la Memoria Descriptiva de Patente GB2387158 describe una propuesta en la que un ventilador dirige el aire sobre un disco convexo para producir sustentación. Las Memorias Descriptivas de Patente US5503351 y US3276723 describen arreglos en los que un chorro de aire fluye sobre lados opuestos de una superficie sustentadora en forma de disco para crear sustentación. El documento US5803199 describe un aerodeslizador (hovercraft) que también usa un flujo de aire sobre una superficie externa de la embarcación para conseguir un efecto sustentador adicional. El documento US5054713 describe un arreglo en el que un chorro de aire fluye sobre un cuerpo “esferoidal achatado” para originar sustentación. Cada una de estas propuestas conocidas no consigue describir la curvatura precisa de la superficie sustentadora o supone que las prácticas convencionales asociadas al flujo de un chorro sobre una superficie curvada en un único plano se aplicarán igualmente para superficies que tienen una curvatura convexa doble. La Memoria descriptiva de Patente US2978206 describe un vehículo en el que un ventilador hace que el aire fluya sobre una superficie que se describe como generalmente parabólica y que tiene un radio de curvatura estrecho en el borde aguas abajo de la superficie.

La invención tiene su origen en la consideración de que se obtendría una sustentación óptima reduciendo a un mínimo la cantidad de superficie sobre la cual debe fluir el chorro para ser desviado en la cantidad adecuada. Al inventor le pareció que, al contrario que las anteriores propuestas, podría esperarse que la forma óptima de la cubierta siga una curva similar a la relación entre la anchura b del chorro y la distancia radial x.

De este modo, de acuerdo con la invención, se proporciona un arreglo generador de empuje que comprende medios para hacer que un fluido fluya radialmente hacia fuera desde una posición central sobre una cubierta que tiene una superficie con curvatura convexa doble alrededor de un eje, sirviendo esta superficie para desviar el flujo radial hacia una dirección axial mediante el funcionamiento del efecto Coanda y teniendo un radio de curvatura que disminuye progresivamente más lentamente al aumentar la distancia desde el eje hasta un punto, cercano a pero separado de, un borde periférico de la cubierta, caracterizado por una parte periférica que se extiende desde la superficie curvada hasta el borde periférico que es sustancialmente recta en la dirección del flujo.

La curva de la superficie, en la dirección aguas abajo del flujo, está diseñada preferentemente para mantener al chorro en su estado biestable, cuando el arreglo está funcionando a plena potencia, minimizando de este modo el área superficial sobre la cual el chorro debe fluir y minimizando, por consiguiente, la resistencia al avance.

La superficie mencionada anteriormente tiene preferentemente forma de cúpula. Normalmente tendrá una superficie continua y lisa pero, en algunas variaciones, un borde periférico de la cúpula puede estar segmentado de modo que la curva en el centro de cada segmento sea ligeramente diferente de la curva en las uniones entre los segmentos. Una ventaja de un arreglo segmentado es que éste puede prepararse convenientemente usando un marco con nervaduras con paneles ligeros entre las nervaduras. Esto también permite que el borde aguas abajo de cada segmento sea recto, facilitando esto la unión de un alerón de control, en caso necesario.

A continuación se describirá una manera en la que puede realizarse la invención, a modo de ejemplo, en referencia a los dibujos adjuntos, en los que

La figura 1 es una vista en perspectiva de una aeronave de despegue vertical

construida de acuerdo con la invención y que incorpora una cubierta sobre la cual se

ve forzado a fluir un chorro de aire por el efecto Coanda;

La figura 2A es un gráfico que muestra la curvatura de una cubierta de la aeronave de

las figuras 1 y 2;

La figura 2B es un gráfico que muestra la variación de la altura del chorro con

respecto a la distancia radial, según lo medido desde un extremo aguas arriba del

chorro (según se calculó teóricamente suponiendo un flujo carente de fricción);

La figura 2C es un gráfico que muestra una variación del radio de curvatura con

respecto a la distancia radial desde el eje; y

La figura 2D es un gráfico que muestra una variación del porcentaje de variación de

curvatura con respecto a la distancia radial.

En referencia a la figura 1, la aeronave ilustrada comprende una cubierta en forma de cúpula 1 que soporta un motor 2 que, en esta realización particular, es un motor eléctrico. El motor 2 acciona a un ventilador axial 3 que impulsa aire radialmente desde una ranura de salida circular 4 de altura b1. El chorro de aire que fluye radialmente resultante, fluye sobre la cubierta 1 y se mantiene en contacto con ésta por el efecto Coanda hasta que alcanza un borde inferior 5 donde se separa, formando un chorro anular casi vertical. La cantidad de movimiento hacia abajo de este chorro da como resultado una cantidad de movimiento igual hacia arriba transferida a la aeronave.

La figura 2A muestra la curvatura precisa de la cubierta, en la dirección del flujo del chorro, entre la ranura de salida 4, y un punto 6, cercano a pero separado de, el borde periférico 5. Una parte cilíndrica 7 de la superficie de la cubierta entre el borde 5 y el punto 6 es recta (en la dirección del flujo). Esto asegura que las presiones se equilibren en cada lado de la superficie de la cubierta donde el chorro abandona el borde 5, evitando la desviación no deseada de la dirección del flujo en ese punto.

La figura 2B muestra cómo la anchura b del chorro disminuye al aumentar la distancia x desde un eje X -X (según se calculó teóricamente suponiendo un flujo carente de fricción). La razón para esto es que el volumen de flujo sigue siendo constante para todos los puntos a lo largo de la dirección del flujo, mientras el área de flujo aumenta al aumentar la distancia desde el eje X -X. Véase que el porcentaje de variación de b (o, para ser más exactos, el módulo del porcentaje de variación) disminuye hacia valores mas grandes de x.

La figura 2C muestra variaciones del radio de curvatura r de la cubierta a lo largo de una línea paralela a la dirección del flujo. De acuerdo con la invención, la forma de esta curva sigue la forma de la curva 2B, de modo que el porcentaje de variación del radio disminuye a aumentar los valores de x. La similitud entre los gráficos 3B y 3C es muy evidente. La figura 2D muestra el porcentaje de variación de radios confrontado con x, a partir de lo cual se observará que incluso la segunda derivada también disminuye al aumentar los valores de x.

Los ensayos sobre un modelo construido a lo largo de líneas similares a las descritas han demostrado un éxito notable en términos del empuje conseguido y la estabilidad y maniobrabilidad durante el vuelo. Se cree que esto es atribuible en parte a la forma única de la superficie de la cubierta, que permite que se consiga el máximo efecto Coanda posible en todos los puntos en la cubierta. Sin embargo, se observará que el diseño ilustrado se ha descrito solamente para que sirva de ejemplo y que son posibles muchas variaciones. Por ejemplo, la invención no está limitada al uso en una aeronave. También sería aplicable en submarinos y vehículos diseñados para moverse a través de otros fluidos. También podría usarse en dispositivos tales como ventiladores o calentadores que están diseñados para producir un empuje de aire o gas sin movimiento de la propia máquina, y sin duda muchas otras aplicaciones serán evidentes dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   Un arreglo generador de empuje que comprende medios para hacer que un fluido fluya radialmente hacia fuera desde una posición central sobre una cubierta que tiene una superficie con curvatura convexa doble alrededor de un eje, sirviendo esta superficie para desviar el flujo radial hacia una dirección axial mediante el funcionamiento del efecto Coanda y teniendo un radio de curvatura que disminuye progresivamente más lentamente al aumentar la distancia desde el eje hasta un punto, cercano a pero separado de, un borde periférico de la cubierta; caracterizado por una parte periférica que se extiende desde la superficie curvada hasta el borde periférico que es sustancialmente recta en la dirección del flujo.

2. 2.

   Un arreglo generador de empuje de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda derivada del radio de curvatura con respecto a la distancia desde un eje disminuye al aumentar la distancia desde el eje.

3. 3.

   Un arreglo generador de empuje de acuerdo con cualquier reivindicación anterior incluido como parte de un vehículo, caracterizado porque la rotación del flujo cambia la cantidad de movimiento del flujo para generar una fuerza de reacción que sirve para mantener suspendido y/o propulsar el vehículo.

4. 4.

   Un arreglo generador de empuje de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque el vehículo es un vehículo aéreo de despegue vertical.

5. 5.

   Un arreglo generador de empuje de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque el medio para hacer que el fluido fluya incluye un ventilador axial.

6. 6.

   Un arreglo generador de empuje de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el medio para hacer que el fluido fluya incluye un ventilador radial.

7. 7.

   Un arreglo generador de empuje de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque la superficie tiene forma de cúpula.

8. 8.

   Un arreglo generador de empuje de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque un borde periférico de la cúpula es poligonal.