LV13977B - Vertikālas gaisa strūklas ģenerators cilvēka brīvajam lidojumam - Google Patents

Description

Vertikālas gaisa strūklas ģenerators cilvēka brīvajam lidojumam Izgudrojuma apraksts

Izgudrojums ir attiecināms uz iekārtām, kas paredzētas cilvēka brīvajai „planēšanai” vai lidojuma apstākļu radīšanai vertikālā gaisa plūsmā, radot vertikālu aerodinamisko spēku, kas vienāds ar cilvēka smaguma spēku vai pārsniedz to. Tādas iekārtas ir zināmas un tiek izmantotas kā virszemes trenažieri ilgstošu lēcienu ar izpletni (skaidaivinga) simulācijai, kā arī sportiski izklaidējošu priekšnesumu demonstrēšanai publikai.

Zināmā tehnikas līmeņa analīze

Ir zināmas stacionāras “Vertical Wind Tunnels” slēgta tipa noslēgta [1] vai nenoslēgta [2] kontūra aerodinamisko cauruļu iekārtas ar vertikālu plūsmu darba zonā, kas norobežota ar sānu sienām. Noslēgtā aerodinamiskā caurulē plūsma cirkulē pa noslēgtu kontūru, kas ļauj daļēji izmantot mehānisko enerģiju, kas jau piemīt plūsmai. Atvērtā caurulē plūsma izplūst apkārtējā atmosfērā un atkārtoti netiek izmantota, tāpēc plūsmai piemītošā mehāniskā enerģija pilnībā tiek zaudēta. Šādām iekārtām ir sekojoši trūkumi:

- ar caurules darba zonas cietajām sānu sienām un gaisu caurlaidīgiem apakšējo un augšējo aizsargtīkliem lidojumiem ierobežota telpa;

- nav iespējams demonstrēt sportiskus priekšnesumus ar grupveida lidojumiem lielam skatītāju skaitam, piemēram, stadionos, gadatirgos u.c.;

- šādu iekārtu radīšanas augstās izmaksas un iespējas trūkums to ātrai montāžai un demontāžai iekārtas novietojuma vietas maiņas nepieciešamības gadījumā.

Ir zināmas stacionāras [3] un mobilas [4, 5] atvērta tipa iekārtas ar brīvu atmosfērā izplūstošu vertikālu gaisa strūklu („Aerodium” tipa iekārtas), kurām strūklas darba zona nav ierobežota ar sānu sienām un augšējo gaisu caurlaidīgo sietu. Šādām iekārtām ir nenoslēgta aerodinamiskā shēma. „Aerodium” tipa iekārtas pamatā paredzētas amatieru lidojumiem un sportiskiem priekšnesumiem, jo ļauj veikt lidojumus brīvās vertikālās gaisa strūklas darba zonā aptuveni 1 līdz 20 metru augstumā no apakšējā gaisu caurlaidīgā aizsargtīkla. Tās var tikt ātri demontētas, pārvestas un samontētas jaunajā novietojuma vietā. Galvenie konstruktīvie elementi atvērta tipa „Aerodium” iekārtu vertikālās gaisa strūklas radīšanas sistēmās ir:

- aerodinamiskā skrūve vai ventilators, kas savienots ar dzinēju;

- pieplūdes kanāls, pa kuru tiek pievadīts gaiss skrūvei vai ventilatoram (dažos analogos tas nav paredzēts);

- izvadkanāls, kura iekšpusē vispārīgā gadījumā tiek uzstādītas virzošās lāpstiņas un izlīdzinošais aparāts plūsmas savērpes novēršanai aiz skrūves (ventilatora) un vienmērīgas gaisa plūsmas formēšanai izejā no apakšējā gaisu caurlaidīgā tīkla (no tā sākas brīvās gaisa strūklas darba zona).

Zināmo gaisa strūklas radīšanas sistēmu trūkumi atvērtās «Aerodium” tipa iekārtās ir neracionāla iepriekšminēto elementu konstrukcija un paaugstinātas ekspluatācijas izmaksas lielo plūsmas enerģijas zudumu dēļ kā atsevišķos elementos, tā arī sistēmā kopumā, apvienojot elementus vienotā kompleksā, neņemot vērā to savstarpējo aerodinamisko mijiedarbību.

Vertikālas gaisa strūklas radīšanas sistēmu zināmo analogu [3-5] elementu galvenie trūkumi ir:

- pieplūdes kanāla speciāli profilētas ieejas daļas neesamība, kas izsauc plūsmas atraušanos tā ieejas šķautņu tuvumā un ievērojami paaugstina enerģijas zudumus sistēmā;

- ventilatora vai aerodinamiskās skrūves ass horizontāla novietojuma gadījumā vertikālas strūklas iegūšanai nepieciešams pagriezt plūsmu aiz ventilatora par 90° ar speciālu virzošo kanālu vai lāpstiņu palīdzību, kas izsauc strūklas ātruma profila nesimetriskumu un papildus enerģijas zudumus;

- analogu konstrukcijās aerodinamiskā skrūve ir uzstādīta ar neattaisnojami lielu spraugu starp tās lāpstiņu galiem un koaksiālā ierobežojošā gredzena vai citas formas kanāla iekšējām sieniņām, kas ievērojami palielina enerģijas zudumus iekārtā un samazina strūklas ātrumu aiz skrūves;

- plakanās radiālās lāpstiņas, kas, izmantotas izlīdzinošo aparātu konstrukcijās, ir neefektīvas, jo aiz to ieejas šķautnēm, kurām nav attiecīga izliekuma sākuma posmos, veidojas atraušanās zonas un tā rezultātā rodas lieli plūsmas enerģijas zudumi izlīdzinošā aparāta ieejā, bet lāpstiņu šķēlumu aerodinamiskās vai. ģeometriskās vērpes lāpstiņas rādiusa virzienā neesamības dēļ nav iespējams novēst plūsmas savērpi aiz skrūves un ātruma «kritumu” tās ass tuvumā, kas ievērojami apgrūtina kā amatieru, tā arī profesionāļu lidojumus;

- salīdzinoši zema plūsmas kvalitāte gaisa strūklā, kā dēļ praktiski ir neiespējama zināmo slēgta tipa stacionāru iekārtu uzlabošanas metožu izmantošana, radot aiz skrūves profilētas sprauslas ar lielu plūsmas sašaurināšanos, lai izlīdzinātu hanikombu tipa pulsācijas un ātruma profilus strūklā.

Izgudrojuma mērķis ir konstrukcijas vienkāršošana, ģenerējamās strūklas ekspluatācijas un aerodinamisko īpašību uzlabošana un izdevumu samazināšana pie atvērtu sistēmu, kas paredzētas apstākļu radīšanai cilvēka lidojumam vertikālā gaisa plūsmā, ekspluatācijas

Norādītais mērķis tiek sasniegts tādējādi, ka, atšķirībā no zināmās vertikālās gaisa strūklas radīšanas sistēmas konstrukcijas (vispārīgā gadījumā tā satur pievadošo kanālu, aerodinamisko skrūvi ar dzinēju, aizvadošo kanālu un izlīdzinošo aparātu), ir izmantots gaisa strūklas ģenerators, kuram visi elementi, kas rada gaisa plūsmu, ir kompakti izvietoti vienā speciālas formas īsā, attiecībā pret asi simetriskā, gāzdinamiskā kanālā, kura cilindriskajā daļā koaksiāli uzstādīta aerodinamiskā skrūve, bet aiz skrūves mazā attālumā no tā nekustīgi nostiprināta ierīce, kura vienlaicīgi iztaisno un izlīdzina plūsmu, formējot ģeneratora radītās brīvās strūklas sākuma posmu, iekšpusē.

Zīmējumu saraksts:

1. zīm. Vertikālās gaisa strūklas ģeneratora shēma (skats pa komponentiem);

2. zīm. Vertikālās gaisa strūklas ģeneratora kopskats;

3. zīm. Izlīdzinošā aparāta cilindrisko gredzenu un nošķelto konusu izvietojuma shēmas variants;

4. zīm. Vienas lāpstiņu rindas izvietojuma variants plūsmu aiz aerodinamiskās skrūves iztaisnojošā un izlīdzinošā ierīcē;

5. zīm. “Aerodium” tipa stacionāra iekārta ar vertikālas gaisa strūklas ģeneratoru;

6. zīm. “Aerodium” tipa mobila iekārta ar vertikālas gaisa strūklas ģeneratoru;

Gāzdinamiskā kanāla konstrukcija ar ģeneratora gaisa strūklas radīšanas un formēšanas elementiem sastāv no sekojošiem elementiem:

a) speciālas līklīnijas formas ieejas ierīces (piemēram, attiecībā pret asi simetriska plānsienu kanāla ar laidenu līklīnijas veiduli Bemulli lemniskatas veidā);

b) ar ieejas ierīci koaksiāli savienota cilindriskas formas taisna kanāla, kura ieejā koaksiāli uzstādīta aerodinamiskā skrūve, pie kam cilindriskā kanāla iekšējais diametrs pārsniedz skrūves diametru ne vairāk kā par 2 līdz 2,5%;

c) iztaisnojoša un izlīdzinoša aparāta, kas: ir nekustīgi un koaksiāli nostiprināts minētajā cilindriskajā kanālā; ir novietots aiz skrūves nelielā attālumā no tās (aptuveni no 30 līdz 50 mm attālumā no skrūves konstrukcijas elementiem); nav izvirzīts aiz cilindriskā kanāla izejas šķēluma; tam ir augstums no 0.1 līdz 0.4 no skrūves diametra; sastāv no koaksiāliem gredzeniem, nošķeltiem konusiem un radiālām līklīnijas formas lāpstiņām (vispārīgā gadījumā lāpstiņām rādiusu virzienā piemīt mainīga ģeometriskā vērpe un profilu posmu, kas piekļaujas pie profilu priekšējām šķautnēm, izliece), pie kam: lāpstiņas uzstādītas starp gredzeniem un konusiem rādiusu virzienā ar viena nobīdi attiecībā pret otru par noteiktu leņķi tā, lai kopumā tās izvietotos šahveida kārtībā; izlīdzinošās iekārtas centrālajā apgabalā uzstādīto lāpstiņu skaits it mazāks kā perifērijā; izlīdzinošās iekārtas centrā pretim skrūves rumbai koaksiāli uzstādīti divi plūsmas virzienā sašaurinošies nošķelti plānsienu konusi, starp kuru sieniņām nostiprinātas vairākas plakanas lāpstiņas ar ģeometrisku vērpi.

Vertikālās gaisa strūklas ģenerators darbojas sekojošā veidā. Rotējoša skrūve 1 rada pirms sevis pazemināta spiediena zonu un veido gaisa plūsmu 2, kas pārvietojas gāzdinamiskā kanāla 4 ieejas ierīcē 3 no apakšas uz augšu un sasniedz skrūvi.

Ieejas ierīce 3 ar laidenu līklīnijas veiduli Bemulli lemniskatas formā attiecībā pret asi simetrisku plūsmu bez vietēju plūsmas atraušanās zonu veidošanās un ar zemu enerģijas zudumu koeficientu pirms skrūves. īsais speciālas formas gāzdinamiskais kanāls 4 (vidējais kanāla augstums aptuveni vienāds ar pusi no skrūves diametra) paredzēts enerģijas zudumu samazināšanai ģeneratorā un tā efektivitātes paaugstināšanai formējot plūsmu, kurā nav asu pagriezienu, plūsmas atraušanās un stagnējošu zonu ar parazītiskajiem makrovirpuļiem.

Aerodinamiskā skrūve izvietota gāzdinamiskā kanāla 4 cilindriskajā daļā 5, kas piekļaujas ieejas ierīcei 3. Atkarībā no gāzdinamiskā kanāla 4 augstuma ierobežojumiem aerodinamiskā skūve uzstādīta tieši aiz ieejas ierīces cilindriskā kanāla ieejas šķēlumā vai tādā attālumā no tā, kas nepārsniedz pusi no skrūves diametra. Lai palielinātu skrūves radītās plūsmas ātrumu, atstarpe starp skrūves lāpstiņu galiem un cilindriskās daļas 5 iekšējo virsmu nedrīkst pārsniegt 2.0 līdz 2.5% no skrūves diametra.

Skrūves darbības ietekmes rezultātā veidojas plūsma 6, kas virzas uz augšu cilindriskajā kanālā 5 ar lielu vertikālo ātrumu un zināmu leņķisko ātrumu 7 (plūsmas savērpi) attiecībā pret gāzdinamiskā kanāla vertikālo „y” asi. Plūsmas 6 vertikālā ātruma profils šķērsšķēlumā ir samērā nevienmērīgs plūsmas aiz skrūves savērpes dēļ, kā arī atraušanās zonas rašanās dēļ aiz skrūves rumbas 8 un ātruma „krituma” zonas kanāla ass tuvumā rašanās dēļ. Lai izejā no gāzdinamiskā kanāla radītu nesavērptu gaisa strūklu 9 ar pietiekami vienmērīgu vertikālā ātruma profilu, aiz rotējošās skrūves nelielā attālumā no tās (aptuveni 30 līdz 50 mm no skrūves konstrukcijas elementiem) koaksiāli uzstādīta ierīce 10, kas iztaisno un izlīdzina plūsmu 6.

Ierīce 10 ir izveidota no lokšņu materiāla un kā parādīts 3.zīm. sastāv no vairākiem vienāda augstuma gredzeniem 11, nošķeltiem konusiem 12, 13 un 14 un radiālām izliektām lāpstiņām 15, kurām ir pastāvīga vai rādiusu virzienā mainīga ģeometriskā savērpe. Lai samazinātu enerģijas zudumus, kas rodas plūsmai uzplūstot uz lāpstiņām, lāpstiņu profili posmos, kas pieguļ to priekšējām šķautnēm, veidoti ar līklīnijas formu, atstājot lineārus pārējos profilu posmus. Lāpstiņas 15 novērš gaisa plūsmas 6 savērpi 7 aiz skrūves 1 un daļēji izlīdzina vertikālā ātruma „krituma” zonu strūklas ass tuvumā. Tās ir uzstādītas starp gredzeniem 11 un konusiem 12 un 13 rādiusu posmu virzienā, kas nobīdīti par noteiktu leņķi viens attiecībā pret otru tā, lai tie kopumā izlīdzinošajā iekārtā izvietotos šahveida kārtībā. Lai samazinātu pāmērīgu brīvās telpas aizsprostošanu, izlīdzinošās iekārtas centrālajā daļā lāpstiņu skaits ir mazāks kā perifērijā. Šāds lāpstiņu izvietojums atvieglo izlīdzinošās iekārtas montāžu un veicina ģeneratora strūklas 9 ātruma profila izlīdzināšanu, kurā neiekļūst aiz skrūves veidojošies makrovirpuļi, jo tiek sadalīti mazākos virpuļos kanālos, ko veido lāpstiņas un gredzeni vai konusi.

Izlīdzinošās iekārtas 10 ārējais cilindriskais gredzens 11 ir nekustīgi un koaksiāli nostiprināts cilindriskā kanāla 5 iekšpusē, tā lai neizvirzītos aiz gāzdinamiskā kanāla robežām. Iztaisnojošās un izlīdzinošās ierīces gabarītaugstumu izvēlas robežās no 0.1 līdz 0.4 no skrūves diametra atkarībā no skrūves rumbas diametra un gāzdinamiskā kanāla 4 augstuma ierobežojumiem.

Ģeneratora radītās plūsmas atraušanās zonu fiksācijai aiz skrūves rumbas 8 un ātruma „krituma” samazināšanai strūklas ass tuvumā iztaisnojošās un izlīdzinošās ierīces 10 centrā iepretim skrūves rumbai 8 koaksiāli ir uzstādīti divi plūsmas virzienā sašaurinošies nošķelti plānsienu konusi 13 un 14, starp kuru sienām nostiprinātas vairākas īsas lāpstiņas 16 ar ģeometrisko vērpi plūsmas savērpšanai starp konusiem pretēji skrūves rotācijas virzienam.

Konusu 13 un 14 pamatņu aploču diametriem jābūt attiecīgi nedaudz lielākiem par skrūves 1 rumbas 8 un rumbai pieguļošo lāpstiņu nedarba zonas diametriem. Ierīces 10 maksimālais konusu izvērsuma leņķis tiek izvēlēts no plūsmas atraušanas neesamības nosacījumiem gredzenveida konisko kanālu iekšpusē.

Gaisa strūklas ģeneratora aerodinamiskās skrūves rotācija tiek nodrošināta ar elektrodzinēja 17 vai iekšdedzes dzinēja 18 palīdzību, kas savienoti ar skrūves vārpstu tieši vai caur reduktoru 19. Abos gadījumos dzinējs vai tā reduktors tiek koaksiāli uzstādīti pirms ieejas gāzdinamiskajā kanālā vai tā ieejā plūsmas zemu ātrumu zonā.

Piedāvājamā gaisa strūklas ģeneratora konstrukcija ir universāla un to paredzēts izmantot kā atsevišķu moduli stacionārās (5.zīm.), izjaucamās un mobilās (6.zīm.) atvērta „Aerodium” tipa iekārtās cilvēka lidošanai vertikālā gaisa plūsmā.

Informācijas avoti:

1. Patents US 7,156,744 B2; 2/2007;

2. Patents US 6,083,110’4/2000;

3. Patents US 5,318,481; 7/1994;

4. Patentpieteikums UK 2,288,772 A; 11/1995;

5. Patentpieteikums UK 2,290,484 A; 1/1996.

Claims (4)

1. Pretenzijas

   1. Vertikālās gaisa strūklas ģenerators cilvēka brīvajam lidojumam, kas satur gaisu pievadošo kanālu, aerodinamisko skrūvi ar dzinēju, gaisu aizvadošo kanālu un izlīdzinošo aparātu, atšķirīgs ar to, ka, ar mērķi vienkāršot konstrukciju, uzlabot strūklas aerodinamiskās ekspluatācijas īpašības un samazināt ekspluatācijas izmaksas, visi gaisa strūklu veidojošie ģeneratora elementi ir kompakti izvietoti viena īsa, vertikāla attiecībā pret asi, simetriska gāzdinamiskā kanāla iekšpusē, kura vidējais minimālais gabarītaugstums aptuveni vienāds ar skrūves rādiusu un kurš sastāv no līklīnijas formas ieplūdes ierīces (piemēram, plānsienu, attiecībā pret asi simetriska kanāla ar laidenu līklīnijas veiduli Bernulli lemniskētes veidā) un ar to koaksiāli savienota taisnlīnijas cilindriska kanāla, kura ieejā koaksiāli ir uzstādīta aerodinamiskā skrūve (kanāla diametrs ir lielāks par skrūves diametru ne vairāk kā par 2,0 līdz 2,5%), bet aiz skrūves nelielā attālumā (ne mazākā kā 30 līdz 50 mm un ne lielākā kā puse no skrūves diametra) cilindriskā kanālā nekustīgi un koaksiāli ir uzstādīta ierīce no lokšņu materiāla (tās augstums ir 0,1 līdz 0,4 no skrūves diametra), kas vienlaicīgi iztaisno un izlīdzina gaisa plūsmu un kas sastāv no vienāda augstuma koaksiāliem gredzeniem, nošķeltiem konusiem un radiālām līklīnijas lāpstiņām, pie kam: vispārīgā gadījumā lāpstiņām ir rādiusu virzienā mainīga ģeometriskā savērpe un profilu posmu, kas piekļaujas pie profilu priekšējām šķautnēm, izliece; minētās lāpstiņas ir uzstādītas starp gredzeniem un konusiem ar noteiktu leņķi attiecībā viena pret otru tā, ka tās kopumā ir izvietotas izlīdzinošajā ierīcē šahveidīgi; izlīdzinošās ierīces centrālajā apgabalā uzstādīto lāpstiņu skaits ir mazāks kā perifērijā.
2. 2. Gaisa strūklas ģenerators pēc 1. punkta, kas atšķirīgs ar to, ka plūsmu iztaisnojošās un izlīdzinošās ierīces centrā iepretim skrūves rumbai ātruma krituma zonas novēršanai gaisa strūklā koaksiāli ir uzstādīti divi plūsmas virzienā sašaurinošies nošķelti plānsienu konusi, starp kuru sienām ir nostiprinātas vairākas īsas plakanas lāpstiņas ar ģeometrisko vērpi plūsmas savērpšanai starp konusiem.
3. 3. Gaisa strūklas ģenerators pēc 1. vai 2. punkta, kas atšķirīgs ar to, ka tas ir universāls atsevišķs modulis, ko paredzēts izmantot stacionāru, izjaucamu un mobilu atvērta tipa iekārtu konstrukcijās, kas paredzētas cilvēka lidošanai vertikālā gaisa plūsmā.
4. 4. Gaisa strūklas ģenerators pēc jebkura no 1. līdz 3. punktam, kas atšķirīgs ar to, ka ģeneratora konstrukcijas un tā elementu kompaktā savstarpējā izvietojuma ģeometriskās īpatnības, ieskaitot skrūves dzinēju vai tā reduktoru ģeometriskās īpatnības, kas tiek uzstādīti koaksiāli pirms ierīces ieejas vai plūsmas mazu ātrumu zonā, ir noteiktas un optimizētas, obligāti ievērojot visu elementu aerodinamiskās mijiedarbības sistēmas darba režīmā, piemēram, ir noteiktas ar datormodelēšanas metodēm vai uz eksperimentālo datu bāzes.