RU2168066C2

RU2168066C2 - Ротор, устройство, преобразующее энергию потока текучей среды, устройство, создающее поток текучей среды (варианты) и насос

Info

Publication number: RU2168066C2
Application number: RU98102415/06A
Authority: RU
Inventors: Джейден Дэвид Хармэн
Original assignee: Джейден Дэвид Хармэн
Priority date: 1995-07-10
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 2001-05-27
Also published as: MX9800299A; CN1193377A; ES2206583T3; KR100445508B1; CN1063256C; ATE251718T1; WO1997003291A1; CA2226486A1; EP0837989A1; DE69630303T2; PT837989E; IL122889A0; JPH11513091A; IL122889A; DK0837989T3; EP0837989B1; CA2226486C; US5934877A; EP0837989A4; KR19990028875A

Abstract

Изобретения могут быть использованы в насосах и турбинах. Ротор для использования в устройстве, создающем поток текучей среды или преобразующем энергию потока текучей среды, установлен с возможностью вращения относительно центральной оси и имеет рабочую поверхность, направляющая линия которой задает дугообразную линию движения потока текучей среды, расположенную вокруг центральной оси вращения ротора. Эта направляющая линия рабочей поверхности имеет форму логарифмической кривой, которая по существу соответствует математической прогрессии, известной как золотое сечение или прогрессия Фибоначчи. Использование изобретений снижает вероятность повышенного износа и повышает КПД. 5 с. и 28 з.п.ф-лы, 17 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к роторам, предназначенным для создания потока текучей среды и/или для вращения под действием потока текучей среды. Такие роторы могут применяться в насосах, нагнетающих текучую среду, и в устройствах, преобразующих энергию потока текучей среды в энергию вращения ротора, таких как турбины.

Уровень техники
Как правило, в устройствах, которые создают крутящий момент за счет энергии потока текучей среды, или, с другой стороны, которые могут создавать поток текучей среды, используется ротор, установленный с возможностью вращения в корпусе так, чтобы находиться под действием потока текучей среды или создавать такой поток. В самых простых вариантах конструктивного оформления такие роторы содержат набор радиальных лопаток, закрепленных на опорной плите, или набор рабочих лопаток (турбинных лопаток), установленных с опорой на вал. Основной проблемой для предшествующих конструкций является возникающая в потоке текучей среды турбулентность, которая снижает КПД устройства, а на предельных режимах работы может привести к развитию кавитации (в том случае, если текучей средой является жидкость), которая не только снижает КПД насоса, но также может привести к падению его производительности ниже потребного уровня и оказывать разрушающее воздействие на конструкцию ротора и опорного корпуса. Соответственно кавитация может также стать причиной значительного износа и уровня шума.

Из патента США N 3082695 известен ротор для использования в ротационных насосах, установленный с возможностью вращения относительно центральной оси и имеющий дугообразную рабочую поверхность. Это техническое решение представляет собой ближайший аналог настоящего изобретения.

Задача изобретения заключается в создании ротора, который способен вращаться под действием потока текучей среды или создавать поток текучей среды, который снижает степень турбулентности, возникающей в потоке текучей среды во время его прохождения через ротор, с сопутствующими потерями энергии. Для решения этой задачи рабочие поверхности ротора спрофилированы таким образом, чтобы обтекающий их поток текучей среды двигался по линии, которая имеет форму логарифмической кривой, по существу соответствующей золотому сечению.

В природе все текучие среды в процессе своего естественного перемещения стремятся закручиваться в спирали или вихревые жгуты. Такие спирали или вихревые жгуты в общем случае описываются математической логарифмической прогрессией, известной как золотое сечение или прогрессия Фибоначчи. Изобретение позволяет придать движению текучих сред, обтекающих рабочие поверхности ротора, характер, наиболее близкий к естественному, тем самым уменьшая обусловленные турбулентностью и трением потери КПД, обычно присущие устройствам, широко используемым для создания потока текучей среды и для получения крутящего момента за счет энергии потока текучей среды. В итоге применение изобретения снижает вероятность повышенного износа.

Сущность изобретения
Соответственно вышесказанному одним объектом изобретения является ротор для использования в устройстве, создающем поток текучей среды или преобразующем энергию потока текучей среды, при этом указанный ротор предназначен для вращения относительно центральной оси, имеет рабочую поверхность с направляющей линией, которая задает дугообразную линию движения потока текучей среды, расположенную вокруг центральной оси, относительно которой ротор способен вращаться, и отличается тем, что эта направляющая линия рабочей поверхности имеет форму логарифмической кривой, которая по существу соответствует золотому сечению.

В частном случае выполнения ротора рабочая поверхность может быть искривлена поперек центральной оси, т.е. иметь кривизну в плоскости, перпендикулярной центральной оси. В другом частном случае выполнения ротора рабочая поверхность может быть искривлена в направлении, параллельном центральной оси, т.е. иметь кривизну в плоскости, параллельной центральной оси. Рабочая поверхность также может быть искривлена как поперек центральной оси, так и в направлении, параллельном центральной оси, представляя собой трехмерную поверхность.

В частном случае выполнения ротора направляющая линия рабочей поверхности может иметь спиралеобразную конфигурацию. В частности, эта линия может иметь форму винтовой линии или спирали.

В частном случае выполнения ротор имеет канал для движения потока текучей среды. В предпочтительном исполнении этого варианта площадь поперечного сечения канала изменяется по длине канала логарифмически, по существу в соответствии с золотым сечением. При этом площадь сечения канала может изменяться как логарифмическая функция угловой координаты данного сечения относительно центральной оси, а значения площадей канала в соседних сечениях, расположенных с определенным угловым интервалом, могут соотноситься как число Ф.

В другом частном случае выполнения ротора направляющая линия рабочей поверхности может иметь конфигурацию, соответствующую внутренней конфигурации раковин моллюсков, относящихся к классам Gastropoda или Cephalopoda. В частных вариантах осуществления изобретения конфигурация рабочей поверхности соответствует конфигурации внутренней поверхности раковин моллюсков, относящихся к родам Volitudea, Argonauta, Nautilus, Conidea или Turbinidea.

В другом частном случае выполнения ротора направляющая линия рабочей поверхности может иметь конфигурацию, соответствующую внешней конфигурации раковин моллюсков, относящихся к классам Gastropoda или Cephalopoda. В частных вариантах осуществления изобретения конфигурация рабочей поверхности соответствует конфигурации внешней поверхности раковин моллюсков, относящихся к родам Volitudea, Argonauta, Nautilus, Conidea или Turbinidea.

Ротор может быть установлен с возможностью свободного вращения под действием потока текучей среды, который воздействует на упомянутую рабочую поверхность, приводя ротор во вращение относительно центральной оси, или представлять собой рабочее колесо, вращающееся от привода относительно своей центральной оси и воздействующее рабочей поверхностью на текучую среду для создания потока текучей среды.

Еще один объект изобретения относится к устройству, преобразующему энергию потока текучей среды, имеющему ротор, установленный с возможностью вращения под действием потока текучей среды, при этом такой ротор выполнен по любому из вариантов, описанных выше. Текучей средой может быть жидкость или газ, в том числе в качестве газа может быть использован воздух.

Следующий объект изобретения (в двух вариантах) относится к устройству, создающему поток текучей среды, имеющему ротор, вращаемый от привода с целью создания упомянутого потока текучей среды, при этом ротор выполнен по любому из вышеприведенных вариантов. Текучей средой может быть жидкость или газ, который, в том числе в качестве газа может быть воздухом.

Еще одним объектом изобретения является насос, имеющий корпус, ограничивающий камеру, при этом упомянутая камера имеет центральную ось, выходной канал, выполненный в стенке камеры, и отверстие, выполненное в стенке корпуса соосно центральной оси. Также насос содержит ротор, установленный в камере с возможностью вращения относительно упомянутой центральной оси, приводной вал, расположенный соосно центральной оси, и приспособленный для передачи мощности от какого-либо другого приводного вала. Упомянутый ротор содержит подкамеру, имеющую входной канал, расположенный соосно центральной оси и входящий в отверстие в стенке корпуса, и выходной канал по существу тангенциальный, рабочую поверхность, являющуюся внутренней поверхностью подкамеры, имеющую между входным и выходным каналами спиралеобразный профиль, причем кривизна этой рабочей поверхности задана направляющей линией, которая имеет форму логарифмической кривой, по существу соответствующей золотому сечению.

В частных вариантах насоса выходной канал может быть направлен по существу противоположно направлению вращения или по направлению вращения.

В частном варианте насоса рабочая поверхность может образовывать канал.

В предпочтительном случае выполнения предыдущего признака этот канал может расширяться между входным и выходным каналами, причем площадь поперечного сечения канала изменяется по длине канала по существу в соответствии с золотым сечением.

В частном случае исполнения насоса подкамера ротора может иметь конфигурацию внутренней полости раковин моллюсков, относящихся к классам Gastropoda или Cephalopoda. В частных вариантах осуществления изобретения конфигурация рабочей поверхности соответствует конфигурации внутренней полости раковин моллюсков, относящихся к родам Volitudea, Conidea, Turbinidea, Argonauta или Nautilus.

Еще одной предпочтительной отличительной чертой изобретения является то, что камера, ограниченная корпусом насоса, имеет в целом сферическую или эллипсоидную конфигурацию, причем кривизна внутренней поверхности этой камеры между входным отверстием в корпусе и выходным каналом соответствует логарифмической кривой, в основном соответствующей золотому сечению.

Более глубоко сущность изобретения раскрывается в приведенном ниже описании нескольких частных вариантов его осуществления. Данное описание поясняется следующими чертежами.

Перечень фигур чертежей
На фиг. 1 поясняется сущность золотого сечения.

На фиг. 2 приведен общий вид насоса согласно пунктам 24 и 33 формулы изобретения, выполненный в изометрии.

На фиг. 3 приведен вид в плане снизу верхней части корпуса насоса, показанного на фиг. 2, с установленным ротором.

На фиг. 4 приведен разрез по линии 4-4 на фиг. 3.

На фиг. 5 схематически, в разрезе представлен частный вариант насоса согласно пункту 24 формулы изобретения.

На фиг. 6 схематически, в разрезе представлена разновидность варианта насоса, показанного на фиг. 5.

На фиг. 7 приведен вид с торца ротора, относящегося к варианту насоса, показанному на фиг. 5.

На фиг. 8 приведен вид сбоку ротора, показанного на фиг. 7.

На фиг. 9 приведен вид сбоку в разрезе ротора, показанного на фиг. 7 и 8.

На фиг. 10 схематически представлен ротор согласно пунктам 1 и 5 формулы изобретения.

На фиг. 11 приведен вид в плане ротора с несколькими лопатками.

На фиг. 12 схематически представлен насос, представляющий собой разновидность насоса согласно пункту 24 формулы изобретения.

На фиг. 13 вариант изобретения, показанный на фиг. 12, представлен в разрезе.

На фиг. 14 приведен вид с торца ротора, соответствующего варианту изобретения, показанному на фиг. 12 и 13.

На фиг. 15 схематически представлен ротор с сужающимся входным каналом и расширяющимся выходным каналом.

На фиг. 16 схематически представлен ротор, соответствующий варианту изобретения, представленному на фиг. 15 и дополнительно снабженному лопатками в цилиндрической части между сужающимся входным каналом и расширяющимся выходным каналом.

На фиг. 17 схематически, в разрезе, представлен вариант насоса, изображенного на фиг. 2, 3 и 4, у которого внутренняя конфигурация ротора в основном соответствует конфигурации раковины моллюска рода Turbinidea.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Все варианты изобретения имеют отношение к ротору, который может быть использован для создания потока текучей среды как в случае его применения в насосе, либо для создания крутящего момента за счет вращения под действием потока текучей среды, как в случае его применения в турбине или гидравлическом или газовом двигателе.

Как было отмечено выше, в природе все текучие среды в процессе своего естественного перемещения стремятся закручиваться в спирали или вихревые жгуты. Эти спирали или вихревые жгуты обычно описываются математической прогрессией, известной как золотое сечение или прогрессия Фибоначчи.

Изобретение во всех своих вариантах направлено на то, чтобы придать движению текучих веществ наиболее естественный для них характер, уменьшая за счет этого обусловленные турбулентностью и трением потери КПД, обычно присущие устройствам, широко используемым для создания потока текучей среды, и устройствам, создающим крутящий момент за счет вращения ротора в потоке текучей среды. Большинство ранее разработанных технологий в меньшей степени учитывают особенности движения текучих сред в природе.

Роторы, относящиеся ко всем рассматриваемым вариантам изобретения, имеют конфигурацию, соответствующую во всех отношениях золотому сечению. Поэтому каждый из вариантов изобретения отличается тем, что рабочая поверхность ротора характеризуется направляющей линией, которая задает линию движения потока текучей среды, которая имеет спиралеобразную конфигурацию и которая, по меньшей мере, по существу соответствует золотому сечению. Сущность золотого сечения поясняется на фиг. 1, где изображена спиральная кривая, разворачивающаяся в соответствии с золотым сечением. По мере разворачивания этой спирали порядок роста радиуса кривой, который измеряется на радиусах, проведенных через равные углы (например, на радиусах E, F, G, H, I и J), остается постоянным. Это утверждение можно проиллюстрировать треугольным представлением любых двух соседних радиусов, соответствующих уравнению a:b = b: (a+b), в котором оба выражения соответствуют пропорции 5:8, остающейся неизменной по всей длине кривой.

Особенность, характерная для каждого из вариантов изобретения, заключается в том, что рабочие поверхности, образующие ротор, имеют двухмерную или трехмерную форму и по существу соответствуют золотому сечению, и что любое изменение площади поперечного сечения потока текучей среды также по существу соответствует золотому сечению. Кроме того, установлено, что профили, соответствующие золотому сечению, встречаются в природе во внешней и внутренней конфигурациях раковин моллюсков, относящихся к классам Gastropoda или Cephalopoda. Общей чертой, по меньшей мере, некоторых вариантов изобретения является то, что линия движения потока текучей среды, определяемая направляющей линией рабочей поверхности ротора по существу соответствует внешней или внутренней конфигурации раковин моллюсков, относящихся к одному или нескольким родам классов Gastropoda или Cephalopoda.

Установлено, что одно из свойств потока текучей среды заключается в том, что когда поток текучей среды движется по линии, кривизна которой по существу соответствует золотому сечению, этот поток у рабочих поверхностей является по существу нетурбулентным и как следствие имеет уменьшенную склонность к кавитации. В результате потери энергии потока текучей среды у рабочей поверхности становятся меньше, чем в предшествующих конструкциях, в которых линия движения потока текучей середы по существу не соответствует золотому сечению. В результате уменьшения степени турбулентности потока текучей среды, движущегося по такой линии, предложенный в изобретении ротор в различных его вариантах можно использовать для работы в текучей среде с меньшим износом и более высоким КПД по сравнению с тем, что ранее было возможно для обычных роторов, имеющих эквивалентные размеры.

На фиг. 2, 3 и 4 представлен насос, который можно использовать для создания струи текучей среды, выходящей под большим давлением из выходного канала. Предполагается, что такой насос может выступать в качестве реактивного двигателя, который может применяться в силовых установках небольших надводных судов.

Этот насос содержит корпус 11, который состоит из двух примерно одинаковых половин 12 и 13, имеющих на стыкуемых кромках соединительные фланцы 14 и 15, которые могут фиксироваться в соединении друг с другом с использованием любого подходящего средства соединения. Корпус имеет основную часть, в которой расположена закрытая камера 16. Эта камера имеет примерно круглую форму в плане, и примерно эллиптическое диаметральное сечение, с боковым выходным каналом 17. В камере расположен ротор 18, установленный на приводном валу 19, который расположен соосно с центральной осью камеры 16 и закреплен в соответствующей опоре (не показана), имеющейся в одной половине 12 корпуса 11. Ротор 18 имеет внешнюю и внутреннюю конфигурацию рабочей поверхности как у раковины моллюска, относящегося к классу Cephalopoda, роду Nautilus, но без внутренних перегородок, которые в природе у таких раковин обычно присутствуют. Рабочая поверхность ротора, расположенная с другой стороны от приводного вала 19, имеет входной канал 21, ограниченный кольцевым выступом 22, окружающим этот канал 21. Кольцевой выступ 22 концентрично входит в отверстие 23, выполненное в стенке другой половины 13 корпуса 11, которая расположена напротив приводного вала. Отверстие 23 в стенке корпуса выполнено соосно центральной оси камеры и сообщается с входным каналом 24, близко к которому расположен кольцевой выступ 22 ротора.

Выходной канал 25 ротора направлен по существу тангенциально относительно центральной оси, причем плоскость среза этого канала по существу параллельна проходящему через нее радиусу камеры 16. Внутренняя подкамера, располагающаяся во внутренней полости ротора, представляет собой канал спиралеобразной конфигурации, при этом внутренняя поверхность подкамеры является рабочей поверхностью ротора. Проходное сечение этого канала от входа в него до выхода из него возрастает, изменяясь по длине канала по существу в соответствии с золотым сечением (например, значения площадей канала в соседних сечениях, расположенных с определенных угловым интервалом, могут соотноситься как число Ф), как и направляющая линия, задающая кривизну поверхности канала, т.е. рабочей поверхности ротора.

Во время работы насоса ротор приводится во вращение таким образом, чтобы его выходной канал был направлен противоположно направлению вращения ротора. В этом случае канал 25 ограничен задней кромкой ротора.

В результате предварительных экспериментов и испытаний было установлено, что насос, соответствующий первому варианту изобретения, может с очень высоким КПД обеспечивать высокий выход текучей среды через выходной канал 17 при минимальной кавитации и при относительно невысокой скорости вращения ротора. Это означает, что ротор сможет сообщать текучему веществу более высокую скорость при турбулентности и кавитации меньшей, чем можно было бы ожидать при использовании обычных насосов эквивалентной производительности. Поскольку интенсивность создаваемой кавитации значительно меньше, чем можно было бы ожидать от обычного насоса эквивалентных размеров, работающего с той же скоростью вращения, предполагается, что это приведет к снижению интенсивности эрозии и износа составных частей насоса и, в частности, его ротора. Кроме того, можно полагать, что расширяющийся профиль подкамеры ротора снизит вероятность забивания проходящего через ротор канала посторонними предметами, что является весьма распространенной проблемой для обычных насосов.

Одна из разновидностей описанного выше насоса отличается тем, что ротор приводится во вращение таким образом, чтобы выходной 25 канал был направлен по направлению вращения ротора.

Другая разновидность описанного выше насоса отличается тем, что, помимо упомянутых выше перегородок, отсутствует необходимость во внутренних перегородках или витых перемычках, которые существуют в природе в раковинах моллюсков, относящихся к классу Cephalopoda, роду Nautilus. В результате чего внутренняя конфигурация рабочей поверхности ротора по существу соответствует внешней конфигурации поверхности раковины моллюска, относящегося к классу Cephalopoda, роду Nautilus.

На фиг. 5 представлен другой вариант конструкции насоса. Этот насос имеет трубчатый корпус 111, в котором с возможностью вращения закреплен ротор 118, форма которого по существу соответствует форме раковины моллюска, относящегося к классу Gastropoda, роду Volitudae, как показано на фиг. 7, 8 и 9. Внутренний конец раковины обрезан, как показано на фиг. 7, для получения входного отверстия 121, ведущего во внутреннюю полость раковины. Устье раковины служит выходным каналом 125 ротора 118. Ротор по месту своего входного отверстия 121 установлен в соответствующей подшипниковой опоре 126, расположенной в корпусе 111. Посредством этой опоры ротор закреплен в корпусе 111 так, чтобы он мог вращаться в корпусе относительно своей оси, которая по существу совпадает с центральной осью корпуса. Опора включает в себя первую перегородку 127, которая расположена поперек корпуса и имеет центральное отверстие 123, совмещенное с входным отверстием 121 ротора и окруженное подшипниковой опорой 126 ротора. Кроме того, на другом конце ротор опирается на ось 119, которая с возможностью вращения закреплена во второй перегородке 128, расположенной внутри корпуса на некотором расстоянии от первой перегородки 126. К подшипниковой опоре 126 ротора 118 присоединено подходящее средство привода, приводящее ротор во вращение так, чтобы выходной канал был направлен в сторону, противоположную направлению вращения ротора. Во второй перегородке 128 имеется группа отверстий 129, через которые может проходить текучая среда.

Вторая форма осуществления насоса, показанного на фиг. 5, представлена на фиг. 6 и отличается тем, что боковые стенки корпуса 111 искривлены так, что площадь поперечного сечения корпуса 111 уменьшается в направлении выходных отверстий 129 корпуса, и тем, что площадь поперечного сечения изменяется по существу в соответствии с золотым сечением.

В вариантах насоса, показанных на фиг. 5 и 6, направление вращения ротора может быть таким, чтобы выходной канал 125 был направлен по направлению вращения ротора.

Согласно альтернативной силовой схеме вариантов насоса, показанных на фиг. 5 и 6, ротор может быть установлен на валу, который закреплен в корпусе с возможностью вращения.

Еще одна разновидность вариантов насоса, показанных на фиг. 5 и 6, отличается отсутствием необходимости во внутренних перегородках или витых перемычках, которые существуют в природе в раковинах моллюсков, относящихся к классу Gastropoda, роду Volutidae. В результате этого внутренняя конфигурация рабочей поверхности ротора по существу соответствует конфигурации внешней поверхности раковины моллюска, относящегося к классу Gastropoda, роду Volutidae.

На фиг. 10 представлен ротор 218, имеющий единственную лопатку 230, которая имеет спиральную форму, соответствующую золотому сечению, и установлена на центральном валу 219. В этом варианте изобретения ротор 218 может быть расположен в канале, по которому течет текучее вещество, между его входным и выходным отверстиями, и вращаться под действием этого потока текучей среды, передавая на вал крутящий момент. С другой стороны, если ротор приводится во вращение путем приложения крутящего момента к центральному валу 219, то такое вращение ротора создает поток текучей среды. Благодаря тому, что кривизна поверхности ротора по существу соответствует золотому сечению, ротор имеет более высокий КПД.

На фиг. 11 представлен ротор 318, аналогичный ротору, изображенному на фиг. 2-4, за исключением того, что ротор 318 содержит несколько лопаток 330, форма которых подобна форме лопатки первого варианта изобретения. Лопатки 330 установлены на одном валу 319 так, что они разнесены друг от друга на одинаковые углы относительно центральной оси вала.

Вариант изобретения, представленный на фиг. 12, 13 и 14, является модификацией насоса, показанного на фиг. 5 и 6. В этом варианте изобретения ротор 418 установлен в примерно цилиндрическом корпусе 411 и расположен с возможностью вращения, задавая линию потока текучей среды. Конфигурация внутренней поверхности ротора 418 в основном подобна конфигурации внутренней поверхности раковин моллюсков, относящихся к классу Gastropoda, роду Conus или Conidae (т. е. конусных раковин). Ротор имеет спиральную лопатку 430, которая имеет форму конической спирали, как это показано на фиг. 6, 7 и 8, и образует канал, поверхности которого спрофилированы по существу в соответствии с золотым сечением. Площадь поперечного сечения этого канала увеличивается по существу в соответствии с золотым сечением. В одном случае ротор может приводиться во вращение так, чтобы выходной канал был направлен противоположно направлению вращения. В другом случае ротор может приводиться во вращение так, чтобы выходной канал был направлен по направлению вращения.

На фиг. 15 представлен вариант изобретения, в котором не предусмотрено копирование конфигурации внутренней поверхности раковин моллюсков. В этом варианте изобретения ротор имеет примерно конический сужающийся входной канал 521, который своим внутренним концом сообщается с коническим расширяющимся выходным каналом 525. Внутренняя поверхность как входного канала 521, так и выходного канала 525 снабжена одной или несколькими спиральными лопатками 530, выполненными по существу в соответствии с золотым сечением. Также золотому сечению соответствует изменение площади поперечного сечения сужающегося входного канала 521 и расширяющегося выходного канала 525.

На фиг. 16 представлена модификация предыдущего варианта изобретения, где между входным каналом 621 и выходным каналом 625 ротора расположен примерно цилиндрический участок 632, в котором на равных угловых расстояниях друг от друга расположены три спиральные лопатки 634, каждая из которых выполнена по существу в соответствии с золотым сечением. Эти лопатки оказывают дополнительное воздействие на поток текучей среды, движущийся из входного канала в выходной канал. Для дополнительного повышения расхода текучей среды на входе во входной канал 621 и на выходе из выходного канала 625 внутренняя поверхность входного канала 621 и внутренняя поверхность выходного канала 625 снабжены несколькими спиральными лопатками 630, кривизна которых также соответствует золотому сечению.

Насос, изображенный на фиг. 17, представляет собой разновидность насоса, показанного на фиг. 2-4, и имеет ротор 718, установленный в корпусе 713. Конфигурация внутренней поверхности ротора 718 по существу соответствует конфигурации внутренней поверхности раковин моллюсков, относящихся к классу Gastropoda, роду Turbinidea. Ротор 718 имеет входной канал 721, расположенный на внутреннем конце или вершине раковины, т.е. к области наименьшего проходного сечения внутреннего канала раковины. Выходной канал 725 ротора расположен в устье раковины. Ротор приводится во вращение вокруг своей центральной оси таким образом, чтобы направление вращения было противоположно направлению выходного канала 725. Корпус 713 имеет отверстие 723, которое сообщается с входным каналом 721 ротора, и выходной канал 717, который сообщается с выходным каналом 725 ротора. Установлено, что в результате вращения ротора 718 в таком направлении, когда выходной канал 725 заканчивается задней кромкой, создается поток текучей среды от входного канала 721 к выходному каналу 725, и что поток текучей среды через ротор является по существу нетурбулентным даже при высоких скоростях вращения ротора. С целью дополнительного увеличения расхода текучей среды через корпус на внутренней поверхности корпуса 713 в области выходного канала 717 корпуса могут быть расположены несколько спиральных лопаток, кривизна которых также по существу соответствует золотому сечению.

В одной из модификаций насоса, показанного на фиг. 17, ротор может вращаться в таком направлении, чтобы выходной канал 725 был направлен по направлению вращения ротора.

Еще один вариант изобретения, который может быть конструктивно оформлен в различных модификациях, включает в себя ротор, имеющий внешнюю рабочую поверхность, кривизна которой по существу соответствует золотому сечению. Такой ротор может иметь внешнюю конфигурацию, какую имеют раковины моллюсков, относящихся к классам Gastropoda или Cephalopoda. В частных вариантах исполнения такие роторы имеют конфигурацию, соответствующую внешней конфигурации раковин моллюсков, относящихся к родам Volitudea, Conidea и Turbinidea. Было обнаружено, что указанные выше положительные результаты изобретения могут быть достигнуты и тогда, когда такой ротор в значительной степени взаимоувязан с конструкциями, представленными на фиг. 2-9, 12-13 и 17, притом, что поток текучей среды обтекает внешнюю рабочую поверхность.

Еще один вариант изобретения относится к устройству, в некоторой степени напоминающему обычный центробежный насос, в котором ротор несколько изменен для того, чтобы соответствовать замыслу изобретения. Это изменение заключается в том, что лопатки ротора спрофилированы так, чтобы их кривизна по существу соответствовала золотому сечению. Такая кривизна может быть двухмерной или трехмерной для того, чтобы ротор соответствовал существующим требованиям к обычному насосу. В итоге за счет использования вместо обычного ротора существующего насоса ротора, соответствующего данному варианту изобретения, могут быть получены, хотя бы частично, по меньшей мере, некоторые из положительных результатов изобретения.

Общим свойством каждого из описанных выше вариантов изобретения является то, что они могут использоваться в качестве ротора с механическим приводом, являющегося составной частью насоса, который нагнетает текучую среду между входным и выходным каналами, не вызывая турбулизации потока текучей среды, либо, с другой стороны, в качестве ротора турбины или подобного ей устройства создания движущей силы, который создает крутящий момент и который вращается под действием потока текучей среды, движущейся между входным и выходным каналами, по существу не внося в этот поток турбулентности. Это значит, что такой ротор обеспечивает КПД, более высокий по сравнению с тем, который достижим в обычных насосах или турбинах эквивалентной мощности и производительности.

Одно из свойств данного изобретения заключается в том, что ротор, обладающий признаками, которые были описаны при рассмотрении изобретения в целом, а также каждого из его вариантов, способен эффективно функционировать в камерах, имеющих как малые, так и значительные допуски на зазоры между ротором и стенками камеры, в которой он установлен. Установлено также, что в случае использования в насосе ротор не обязательно помещать в камеру. В этом отношении ротор, описанный выше и представленный на фиг. 2-9, 11-14 и 17, можно использовать, не помещая его в камеру, а закрепив его в корпусе, в который нужно подавать текучую среду, и соединив его входной канал с источником текучей среды. В таком случае ротор, вращаясь внутри корпуса, в который нужно подавать текучую среду, будет качать текучую среду из источника.

Кроме того, еще одно свойство изобретения заключается в том, что предложенный в нем ротор и каждый из вариантов его осуществления можно использовать в текучей среде, представляющей собой газ, жидкость и суспензию.

Следующее свойство изобретения заключается в том, что при взаимодействии потока текучей среды с рабочей поверхностью ротора эта рабочая поверхность и сам ротор испытывают значительно меньшие фрикционные и ударные нагрузки. Благодаря этому, а также сниженной турбулентности, создаваемой ротором, снижается уровень шума и выделение теплоты, обусловленные действием ротора, и поэтому передаваемые в текучую среду. Кроме того, в сравнении с обычными насосами предложенный ротор обеспечивает одинаковый выход текучей среды при меньшем потреблении энергии. Это означает, что если такой ротор используется в насосе, то для его привода можно использовать двигатель меньшего размера и/или ротор может работать с меньшей скоростью вращения. Вместе с тем, в силу особенностей конфигурации рабочей поверхности ротора предложенный ротор и при работе на повышенных скоростях вращения более эффективен, чем обычные роторы, что объясняется уменьшенным трением и меньшей вероятностью развития кавитации.

В случаях вариантов изобретения, описанных выше и представленных на фиг. 2-9, 11 и 17, входной канал имеет минимальный зазор, через который текучая среда поступает к ротору. Поэтому любые материалы, которые способны пройти во входной канал, смогут пройти и через канал, выполненный в роторе, что уменьшает вероятность закупоривания ротора.

Предложенный в изобретении ротор может быть предназначен для применения в насосах, турбинах и двигателях, преобразующих энергию потока текучей среды, и может быть использован в любом варианте применения, подобном перечисленным, для достижения полезного результата, по меньшей мере, за счет выигрыша в расходе текучей среды, снижения трения, а также снижения тепловыделения, если ротор используется в качестве насоса, и потерь тепла, если ротор используется в качестве турбины.

Следует учесть, что объем испрашиваемой для изобретения правовой охраны не ограничивается рассмотренными выше частными вариантами осуществления изобретения.

Claims

1. Ротор для использования в устройстве, создающем поток текучей среды или преобразующем энергию потока текучей среды, установленный с возможностью вращения относительно центральной оси и имеющий рабочую поверхность с направляющей линией, задающей дугообразную линию движения потока текучей среды, расположенную вокруг центральной оси вращения ротора, отличающийся тем что указанная направляющая линия рабочей поверхности имеет форму логарифмической кривой, по существу соответствующей золотому сечению.

2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что рабочая поверхность искривлена поперек центральной оси.

3. Ротор по п.1 или 2, отличающийся тем, что рабочая поверхность искривлена в направлении, параллельном центральной оси.

4. Ротор по п.1, отличающийся тем, что рабочая поверхность искривлена как поперек центральной оси, так и в направлении, параллельном центральной оси, с образованием трехмерной рабочей поверхности.

5. Ротор по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что направляющая линия рабочей поверхности имеет спиралеобразную конфигурацию.

6. Ротор по п.5, отличающийся тем, что направляющая линия рабочей поверхности имеет форму винтовой линии или спирали.

7. Ротор по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что он имеет канал для движения потока текучей среды.

8. Ротор по п.7, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения канала изменяется по длине логарифмически по существу в соответствии с золотым сечением.

9. Ротор по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что рабочая поверхность имеет конфигурацию, которая по существу соответствует конфигурации внутренней поверхности раковин моллюсков, относящихся к классам Gastropoda или Cephalopoda.

10. Ротор по п.9, отличающийся тем, что конфигурация рабочей поверхности по существу соответствует конфигурации внутренней поверхности раковин моллюсков, относящихся к родам Volitudea, Conidea или Turbinidea.

11. Ротор по п.9, отличающийся тем, что конфигурация рабочей поверхности по существу соответствует конфигурации внутренней поверхности раковин моллюсков, относящихся к родам Argonauta или Nautilus, но без имеющихся в этих раковинах внутренних перегородок.

12. Ротор по п.8 или 9, отличающийся тем, что внутри ротор выполнен без перегородок, которые существуют в раковинах в природе.

13. Ротор по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что его рабочая поверхность имеет конфигурацию, которая по существу соответствует внешней конфигурации раковин моллюсков, относящихся к классам Gastropoda или Cephalopoda.

14. Ротор по п.13, отличающийся тем, что конфигурация рабочей поверхности по существу соответствует конфигурации внешней поверхности раковин моллюсков, относящихся к родам Volitudea, Conidea или Turbinidea.

15. Ротор по любому из пп.1 - 14, отличающийся тем, что он установлен с возможностью свободного вращения под действием потока текучей среды, воздействия на упомянутую рабочую поверхность с приводом ротора во вращение относительно центральной оси.

16. Ротор по любому из пп.1 - 15, отличающийся тем, что он представляет собой рабочее колесо, установленное с возможностью вращения от привода относительно своей центральной оси и воздействующее рабочей поверхностью на текучую среду с созданием потока текучей среды.

17. Устройство, преобразующее энергию потока текучей среды, имеющее ротор, который установлен с возможностью вращения под действием потока текучей среды, отличающееся тем, что ротор выполнен по любому из пп.1 - 15.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что в качестве текучей среды использована жидкость.

19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что в качестве текучей среды использован газ.

20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что в качестве текучей среды использован воздух.

21. Устройство, создающее поток текучей среды, имеющее ротор, связанный с приводом его вращения для создания упомянутого потока текучей среды, отличающееся тем, что в качестве текучей среды использована жидкость, а упомянутый ротор выполнен по любому из пп.1 - 14 и 16.

22. Устройство, создающее поток текучей среды, имеющее ротор, связанный с приводом его вращения для создания упомянутого потока текучей среды, отличающееся тем, что в качестве текучей среды использован газ, а упомянутый ротор выполнен по любому из пп.1 - 14 и 16.

23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что в качестве газа использован воздух.

24. Насос, имеющий корпус, ограничивающий камеру, имеющую центральную ось, выходной канал, выполненный в стенке камеры, и отверстие, выполненное в стенке корпуса соосно центральной оси, ротор, установленный в упомянутой камере с возможностью вращения относительно упомянутой центральной оси, приводной вал, расположенный соосно центральной оси и установленный с возможностью передачи мощности от какого-либо другого приводного вала, при этом упомянутый ротор имеет подкамеру, имеющую входной канал, расположенный соосно центральной оси и входящий в отверстие в стенке корпуса, и выходной канал по существу тангенциальный, рабочую поверхность, являющуюся внутренней поверхностью подкамеры, имеющую между входным и выходным каналами спиралеобразный профиль, отличающийся тем, что кривизна рабочей поверхности задана направляющей линией, которая имеет форму логарифмической кривой, по существу соответствующей золотому сечению.

25. Насос по п.24, отличающийся тем, что выходной канал направлен противоположно направлению вращения ротора.

26. Насос по п. 24, отличающийся тем, что выходной канал направлен по направлению вращения ротора.

27. Насос по любому из пп.24 - 26, отличающийся тем, что рабочая поверхность образует канал.

28. Насос по п.27, отличающийся тем, что указанный канал выполнен расширяющимся между входным и выходным каналами, причем площадь поперечного сечения канала изменяется по длине канала по существу в соответствии с золотым сечением.

29. Насос по любому из пп.24 - 28, отличающийся тем, что подкамера ротора по существу имеет конфигурацию внутренней полости раковин моллюсков, относящихся к классам Gastropoda или Cephalopoda.

30. Насос по п.29, отличающийся тем, что рабочая поверхность имеет конфигурацию, которая по существу соответствует конфигурации внутренней полости раковин моллюсков, относящихся к родам Volitudea, Conidea или Turbinidea.

31. Насос по п.29, отличающийся тем, что рабочая поверхность имеет конфигурацию, которая по существу соответствует конфигурации внутренней полости раковин моллюсков, относящихся к родам Argonauta или Nautilus, но без имеющихся в этих раковинах внутренних перегородок.

32. Насос по п.30 или 31, отличающийся тем, что внутри ротор выполнен без перегородок, которые существуют в раковинах в природе.

33. Насос пo п. 26 или 31, отличающийся тем, что камера, ограниченная корпусом насоса, имеет в целом сферическую или эллипсоидную конфигурацию, причем направляющая линия внутренней поверхности этой камеры между отверстием в корпусе и выходным каналом соответствует логарифмической кривой, по существу соответствующей золотому сечению.

Приоритет по пунктам:
10.07.1995 - по пп.1, 5, 7, 8, 15, 17-20;
05.09.1995 - по пп.11, 12, 16, 21, 24, 27, 28, 31-33;
11.03.1996 - по пп.2-4, 6, 9, 10, 13, 14, 22, 23, 25, 26, 29, 30.