Обтекатель
Изобретение относится к судо-, авиа- и ракетостроению, к области изготовления корпусов артиллерийских снарядов, а также к области изготовления узлов машин и механизмов и строительства стационарных сооружений, подвергаемых воздействию скоростных потоков среды, и служит для увеличения скорости и повышения экономичности судов (подводных, надводных), самолетов, ракет и дирижаблей, увеличения дальнобойности артиллерийских систем, а также для увеличения скорости потоков (при одновременном уменьшении энергозатрат). Техническим результатом изобретения является повышение эффективности действия обтекателя с одновременным расширением его функциональных возможностей и области его применения. В обтекателе, содержащем, по меньшей мере, один эжекционный канал, образующий в носовой части обтекателя либо корпуса тела входное отверстие, эжекционный канал имеет расширяющуюся концевую часть - вихревую камеру, образованную изгибом концевой части внутренней (дальней от носовых обводов) стенки эжекционного канала (вихревой камеры), направленным к продольной оси корпуса обтекателя либо корпуса тела, с выходным отверстием, расположенным в продольной части обтекателя (корпуса тела) с возможностью установки элементов для замедления и ускорения потока, а также для образования вихревого потока и поддержания его устойчивости. 11 з. п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к судо-, авиа- и ракетостроению, к области изготовления корпусов артиллерийских снарядов, а также к области изготовления узлов машин и механизмов и строительства стационарных сооружений, подвергаемых воздействию скоростных потоков среды, и служит для увеличения скорости и повышения экономичности судов (подводных, надводных), самолетов, ракет и дирижаблей, увеличения дальнобойности артиллерийских систем, а также для увеличения скорости потоков (при одновременном уменьшении энергозатрат), соприкасаемых со стационарными сооружениями и отдельными узлами машин и механизмов, уменьшения динамических нагрузок на них. При необходимости используется в качестве динамического тормоза, а также для корректировки (и изменения) траектории движения тела.
Известен обтекатель, содержащий соединенную с вибратором упругую коническую оболочку, опорный элемент и размещенный между ними промежуточный слой, выполненный из эластичного материала (авт. св. №985488, кл. F 15 D 1/02, 1982 г.).
Недостатком данного обтекателя является сложность конструкции и низкая эффективность действия.
Наиболее близким к заявленному объекту по технической сущности и достигаемому эффекту является обтекатель, устанавливаемый перед корпусом тела, содержащий основной и дополнительные конические отклонители, образующие основной и дополнительные кольцевые эжекционные каналы, конические отклонители установлены с возможностью изменения угла наклона (Патент РФ №2186265, кл. 7 F15 D 1/12, 2002 г.).
Недостатком данного обтекателя является низкая эффективность действия, обусловленная менее эффективным действием эжекционного канала (каналов) и присутствием продольного касательного трения при движении тела в вязкой среде. Недостатком также является ограниченность сферы применения данного обтекателя, обусловленная применением конических отклонителей.
Изобретение направлено на повышение эффективности действия обтекателя (установленного как к корпусу тела, так и к развернутым высокоскоростному встречному потоку отдельным его частям и узлам, имеющим в разрезе любую форму) за счет значительного снижения лобового сопротивления движению тела, возникающего при обтекании его носовых обводов высокоскоростными потоками среды, с одновременным многократным уменьшением продольного касательного трения корпуса в вязкой среде и уменьшением нагрева обтекаемой поверхности, а также на расширение его функциональных возможностей за счет использования обтекателя при торможении, корректировке (и изменении) траектории движения тела и использования возможности получения перпендикулярной направлению движения тела (подъемной) силы.
Это достигается тем, что обтекатель содержит эжекционный канал, образующий в носовой части обтекателя либо корпуса тела входное отверстие и имеющий расширяющуюся концевую часть - вихревую камеру, образованную изгибом, направленным к продольной оси корпуса обтекателя (корпуса тела), концевой части внутренней стенки эжекционного канала (вихревой камеры) с выходным отверстием, расположенным в продольной части обтекателя (корпуса тела) с возможностью установки элементов для замедления и ускорения потока (слоев потока), а также для образования вихревого потока и поддержания его устойчивости. Внутренняя стенка вихревой камеры и часть корпуса обтекателя (корпуса тела), расположенная за вихревой камерой, снабжены пассивными механическими (образующими шероховатость) замедлителями потока. В носовой части эжекционного канала - до вихревой камеры установлен отклонитель-ускоритель потока, образующий между внутренней стенкой эжекционного канала и отклонителем-ускорителем потока собственно эжекционный канал, а между перекрывающими друг друга частями наружной (ближней к носовым обводам) стенки эжекционного канала и отклонителя-ускоригеля потока - канал-ускороитель потока, и делящий входное отверстие эжекционного канала на входные отверстия собственно эжекционного канала и канал-ускоритеяя потока, при этом канал-ускоритель потока выходным отверстием сообщается с вихревой камерой, кроме того, отношение площади поперечного сечения выходного отверстия канала-ускорителя потока к площади поперечного сечения его входного отверстия составляет 1,0-1,9÷1,0, а отношение площади поперечного сечения выходного отверстия вихревой камеры к площади поперечного сечения входного отверстия эжекционного канала составляет 1,5-3,0÷1,0.
Обтекатель снабжен мультипликатором-замедлителем потока, состоящим из двух последовательно установленных, расширяющихся от входного отверстия к выходному отверстию каналов-замедлителей потока, образованных между внутренней стенкой вихревой камеры и установленными на ней отклонителями-замедлителями потока. При этом первый канал-замедлитель потока своим входным отверстием сообщается с эжекционным каналом - на участке его перехода в вихревую камеру, а выходным отверстием - с вихревой камерой и входным отверстием последующего канала-замедлителя потока.
С наружной стороны вихревой камеры установлен канал-ламинатор потока, образующий в носовой части обтекателя (корпуса тела) входное отверстие и имеющий смежное с выходным отверстием вихревой камеры выходное отверстие, при этом отношение площади поперечного сечения выходного отверстия канала-ламинатора потока к площади поперечного сечения его входного отверстия составляет 0,7-1,3÷1,0.
Обтекатель снабжен вихревым активатором, состоящим из блока управления процессом вихреобразования, датчика скорости движения тела и расположенного с внутренней стороны эжекционного канала, снабженного устройством перекрывания входного отверстия подающего канала, при этом входное отверстие подающего канала образовано в носовой части обтекателя (корпуса тела), а выходное отверстие - на внутренней стенке вихревой камеры, причем концевая часть подающего канала к внутренней стенке вихревой камеры образует большой угол.
Эжекционный канал обтекателя имеет сужающуюся до вихревой камеры носовую часть, образованную изгибом внутренней стенки эжекционного канала, а эжекционный канал (собственно эжекционный канал и канал-ускоритель потока), вихревая камера, канал-ламинатор потока и каналы-замедлители потока выполнены с возможностью изменения их геометрических параметров.
На фиг.1. схематично изображен предлагаемый обтекатель; на фиг.2 - схематично принцип работы обтекателя; на фиг.3 - обтекатель в простейшем исполнении.
Обтекатель содержит эжекционный канал 1, образованный между корпусом 2 и основным отклонителем потока 3. Указанный корпус 2 может принадлежать как к корпусу обтекателя, так и к корпусу тела. Эжекционный канал 1 образует в носовой части обтекателя входное отверстие 4 и имеет расширяющуюся концевую часть - вихревую камеру 5, образованную изгибом, направленным к продольной оси корпуса 2, участка корпуса, составляющего концевую часть внутренней стенки 6 эжекционного канала (вихревой камеры), с выходным отверстием 7, расположенным в продольной части обтекателя. В носовой части эжекционного канала 1 до вихревой камеры установлен делящий его на два канала отклонитель-ускоритель потока 8. Отклонитель-ускоритель потока 8 образует между корпусом 2 и отклонителем-ускорителем потока 8 собственно эжекционный канал 9, а между перекрывающими друг друга частями основного отклонителя потока 3 и отклонителя-ускорителя потока 8 - канал-ускороитель потока 10 и делит входное отверстие эжекционного канала 4 на входное отверстие собственно эжекционного канала 11 и входное отверстие канала-ускорителя потока 12. Канал-ускоритель потока выходным отверстием 13 сообщается с вихревой камерой 5, при этом отношение площади поперечного сечения выходного отверстия канала-ускорителя потока 13 к площади поперечного сечения его входного отверстия 12 составляет 1,0-1,9÷1,0. Отношение площади поперечного сечения выходного отверстия вихревой камеры 7 к площади поперечного сечения входного отверстия эжекционного канала 4 (входного отверстия собственно эжекционного канала 11 и входного отверстия канала-ускорителя потока 12) составляет 1,5-3,0÷1,0. Основной отклонитель потока 3 и отклонитель-ускоритель потока 8 закреплены к корпусу 2 посредством маятникового рычага 14. Маятниковый рычаг 14 имеет с корпусом 2 и отклонителями потока 3,8 шарнирные соединения.
Внутренняя стенка вихревой камеры 6 и часть корпуса, расположенная за вихревой камерой, снабжены пассивными механическими замедлителями потока 15, образующими шероховатость.
Обтекатель снабжен мультипликатором-замедлителем потока, состоящим из двух последовательно установленных, расширяющихся от входного отверстия 16 к выходному отверстию 17 каналов-замедлителей потока 18, образованных между внутренней стенкой вихревой камеры 6 и установленными на ней посредством своих рычагов 19 отклонителями-замедлителями потока 20. При этом первый канал-замедлитель потока своим входным отверстием 16 сообщается с эжекционным каналом 1 на участке его перехода в вихревую камеру 5, а выходным отверстием - с вихревой камерой 5 и входным отверстием 16 последующего канала-замедлителя потока, а рычаги 19 имеют с корпусом 2 и отклонителями-замедлителями потока 20 шарнирные соединения.
С наружной стороны вихревой камеры 5 установлен канал-ламинатор потока 21, образованный между основным отклонителем потока 3 и закрепленным шарнирно на маятниковом рычаге 14 отклонителем-ламинатором потока 22, при этом канал-ламинатор потока 21 образует в носовой части обтекателя входное отверстие 23 и смежное с выходным отверстием вихревой камеры 7 выходное отверстие 24, а отношение площади поперечного сечения выходного отверстия канала-ламинатора потока 24 к площади поперечного сечения его входного отверстия 23 составляет 0,7-1,3÷1,0.
Обтекатель снабжен вихревым активатором, состоящим из блока управления процессом вихреобразования (не показано), датчика скорости движения тела (не показано) и расположенного с внутренней стороны эжекционного канала, снабженного устройством перекрывания входного отверстия 25, подающего канала 26. Подающий канал 26 образует в носовой части корпуса 2 входное отверстие 27 и на внутренней стенке вихревой камеры 6 выходное отверстие 28, при этом концевая часть подающего канала к внутренней стенке вихревой камеры образует большой угол.
Кроме того, эжекционный канал 1 имеет сужающуюся до вихревой камеры 5 носовую часть 29, образованную изгибом внутренней стенки эжекционного канала.
Обтекатель полностью закрывает носовую часть корпуса 2.
С началом движения тела обтекатель начинает работать: часть набегающего потока среды проходит в эжекционный канал 1 (собственно эжекционный канал 9, канал-ускоритель потока 10) и вихревую камеру 5, а часть - отводится от носовых обводов каналом-ламинатором потока 21.
Заданными геометрическими параметрами эжекционного канала 1 (собственно эжекционного канала 9, канала-ускорителя потока 10) и вихревой камеры 5 проходящему по ним потоку среды сообщается скорость, равная у выходного отверстия вихревой камеры 7 половине скорости набегающего потока среды (движения тела), а скорость потока среды, отводимого каналом-ламинатором потока 21, практически равна скорости набегающего потока, причем эти два смежных потока на выходе имеют параллельные векторы скорости, что порождает, при их контакте за вихревой камерой 5, сильный эжекционный эффект и приводит в действие эжекционный канал 1. В процессе его действия отсасывается фронтальный набегающий поток среды через развернутое навстречу набегающему потоку входное отверстие эжекционного канала 4 (входное отверстие собственно эжекционного канала 11 и входное отверстие канала-ускорителя потока 12), эжекционный канал 1 (собственно эжекционный канал 9, канал-ускоритель потока 10) и вихревую камеру 5, что подавляет величину создающей сопротивление движению тела ударной волны.
Для тел, имеющих большую лобовую площадь, обтекатель, благодаря наличию канала-ламинатора потока 21, отводит не попавший в зону действия эжекционного канала набегающий поток среды со всей поверхности носовых обводов, устраняя тем самым причины возникновения крупномасштабных завихрений и уменьшая турбулентное сопротивление движению тела.
Поток среды, поступающий в вихревую камеру 5 из канала-ускорителя потока 10, благодаря заданным ему геометрическим параметрам, имеет большую, чем поток из собственно эжекционного канала 9, скорость. При этом потоки среды, поступающие в вихревую камеру 5 из собственно эжекционного канала 9 и из канала-ускорителя потока 10, имеют сходящиеся векторы скорости 30 и сливаются в вихревой камере 5 в единый поток. Поэтому в едином потоке начинается процесс ускорения отдельных его слоев, усиливающийся от центра вихревой камеры к ее наружной стенке, и придающий наружному слою потока у задней кромки основного отклонителя потока 3 скорость, соизмеримую со скоростью набегающего потока среды.
Часть потока среды, проходящая через последовательно установленные каналы-замедлители потока 18, благодаря мультипликационному эффекту сильно замедляется. При этом поток из второго канала-замедлителя потока, часть потока из первого канала-замедлителя потока и поток из эжекционного канала 1, поступающие в вихревую камеру 5, имеют расходящиеся векторы скорости 31. Поэтому в едином потоке, поступающем в вихревую камеру 5 из каналов-замедлителей потока 18, начинается процесс замедления отдельных его слоев, усиливающийся от центра вихревой камеры к ее внутренней стенке 6. Поток из второго канала-замедлителя потока поступает в вихревую камеру 5 с наименьшей скоростью и после силового взаимодействия с пассивными механическими замедлителями потока 15, установленными на внутренней стенке вихревой камеры 6, уменьшает свою скорость до величины, сопоставимой с остановкой потока относительно контактирующей внутренней стенки 6 вихревой камеры.
Таким образом, в потоке среды, проходящем через вихревую камеру 5, у противоположных стенок вихревой камеры возникают два внутренних течения с противоположными векторами скорости. При этом направление внутреннего течения потока у основного отклонителя потока 3 совпадает с направлением движения набегающего потока среды, а у внутренней стенки вихревой камеры 6 - с направлением движения тела. Внутренние течения потока под действием сил вязкого трения начинают расширяться в направлении центра вихревой камеры 5. Два противоположных внутренних течения, встретившись на плоскости контакта 32, порождают силу внутреннего трения вязкой среды, стремящуюся раскрутить проходящий через вихревую камеру 5 поток.
В этот момент устройство перекрывания входного отверстия 25 подающего канала 26 вихревого активатора кратковременно открывает входное отверстие 27 подающего канала. Под действием скоростного напора набегающего на тело потока, существующего у фронтально развернутого входного отверстия 27 подающего канала, поток устремляется по подающему каналу 26 к его выходному отверстию 28 и подается в вихревую камеру 5 под большим углом, создавая тем самым кратковременный боковой импульс 33, мгновенно раскручивающий поток среды в вихревой камере 5 и образующий вихрь. Частоту подачи импульсов в вихревую камеру регулирует блок управления процессом вихреобразования, синхронизируя этот процесс со скоростью движения тела.
Раскручиваясь, поток среды покидает вихревую камеру 5 и попадает в зону контакта с потоком среды 34, поступающим из канала-ламинатора потока 21. Поток из канала-ламинатора потока 34, «обжатый» основным отклонителем потока 3 и отклонителем-ламинатором потока 22, имеет скорость, практически равную скорости набегающего потока среды 35. При этом поток 34 из канала-ламинатора потока и поток 36 из вихревой камеры имеют параллельные векторы скорости. Благодаря чему между потоком среды из канала-ламинатора потока 34 и корпусом 2 образуется «динамический коридор» 37, обеспечивающий завершение процесса формирования вихря за пределами вихревой камеры 5. Раскрученный, устойчивый вихревой поток продолжает свое движение по «динамическому коридору» 37, а вихревой активатор подает следующий боковой импульс 33 в вихревую камеру 5, положив начало новому циклу формирования вихря и т.д.
Поступающий в «динамический коридор» 37 вихревой поток имеет на границе контакта с его «стенками» 38, 39 - внешним потоком среды 34 и движущимся корпусом 2 совпадающую с их скоростью касательную скорость. Поэтому движущийся корпус 2 не имеет продольного касательного трения с обтекающей (обкатывающей) его вязкой средой. При этом у вихря внутреннее кольцевое течение 40 имеет малый градиент скорости, следовательно, бесконечно малое внутреннее трение, что придает ему большую устойчивость. В процессе работы обтекателя устойчивость вихревому потоку обеспечивается «динамическим коридором» 37, защищающим вихрь от разрушительных внешних воздействий среды, а также самим движущимся корпусом 2, снабженным пассивными механическими замедлителями потока 15, поддерживающим у вихря скорость внутреннего кольцевого течения.
Переставляя, в зависимости от скорости движения тела и изменившихся характеристик обтекающей среды, углы установки маятникового рычага 14, рычагов 19 и отклонителей потока, можно оптимизировать ширину собственно эжекционного канала 9, канала-ускорителя потока 10 и вихревой камеры 5 (эжекционного канала 1), канала-ламинатора потока 21 и каналов-замедлителей потока 18, а также соотношение площадей сечения входного и выходного отверстий каждого канала и вихревой камеры 5.
«Раскрывая» маятниковый рычаг 14 к продольной оси корпуса 2 под прямым (большим) углом и установив основной отклонитель потока 3, отклонитель-ускоритель потока 8 и отклонитель-ламинатор потока 22 под необходимым углом, можно использовать обтекатель в качестве динамического тормоза и устройства для корректировки (и изменения) траектории движения тела. Кроме того, выставив определенным образом расположенные с противоположных сторон плоского корпуса (плоской части корпуса, отдельного плоского узла) основные отклонители потока 3, отклонители-ускорители потока 8 и отклонители-ламинаторы потока 22, можно создать возможность получения перпендикулярной направлению движения тела (подъемной) силы (либо улучшить эксплуатационные характеристики несущих плоскостей, снабдив их обтекателем, по меньшей мере, с одной стороны плоскости).
Таким образом, предлагаемый обтекатель по сравнению с прототипом имеет более высокую эффективность действия за счет более интенсивного подавления ударной волны (вследствие усиления эжекционного эффекта и более интенсивному отсасыванию фронтального набегающего потока среды) и турбулентного сопротивления движению тела, многократного уменьшения (устранения) продольного касательного трения обтекающей вязкой среды. Кроме того, возможность использования обтекателя в качестве динамического тормоза и устройства для корректировки (и изменения) траектории движения тела и получения перпендикулярной направлению движения тела (подъемной) силы расширяют его функциональные возможности. А возможность исполнения каналов и вихревой камеры обтекателя любой (внутри корпуса, корпусный, не корпусный) конструкции и отклонителей потока любой (не только конической) формы расширяет область применения обтекателя, включая его установку на стационарные сооружения, на отдельные части корпусов тел, а также на отдельные узлы машин и механизмов, подвергаемых воздействию скоростных потоков среды.
1. Обтекатель, содержащий, по меньшей мере, один эжекционный канал, образующий в носовой части обтекателя либо корпуса тела входное отверстие, отличающийся тем, что эжекционный канал имеет расширяющуюся концевую часть - вихревую камеру, образованную изгибом концевой части внутренней (дальней от носовых обводов) стенки эжекционного канала (вихревой камеры), направленным к продольной оси корпуса обтекателя либо корпуса тела, с выходным отверстием, расположенным в продольной части обтекателя (корпуса тела), с возможностью установки элементов для замедления и ускорения потока, а также для образования вихревого потока и поддержания его устойчивости.
2. Обтекатель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя стенка вихревой камеры и часть корпуса обтекателя либо корпуса тела, расположенная за вихревой камерой, снабжены пассивными механическими (образующими шероховатость) замедлителями потока.
3. Обтекатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в носовой части эжекционного канала до вихревой камеры установлен, по меньшей мере, один отклонитель-ускоритель потока, образующий между внутренней стенкой эжекционного канала и отклонителем-ускорителем потока собственно эжекционный канал, а между перекрывающими друг друга частями наружной (ближней к носовым обводам) стенки эжекционного канала и отклонителя-ускорителя потока - канал-ускоритель потока, и делящий входное отверстие эжекционного канала на входные отверстия собственно эжекционного канала и канала-ускорителя потока, при этом канал-ускоритель потока выходным отверстием сообщается с вихревой камерой, кроме того, отношение площади поперечного сечения выходного отверстия канала-ускорителя потока к площади поперечного сечения его входного отверстия составляет 1,0-1,9÷1,0.
4. Обтекатель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что отношение площади поперечного сечения выходного отверстия вихревой камеры к площади поперечного сечения входного отверстия эжекционного канала составляет 1,5-3,0÷1,0.
5. Обтекатель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере, одним расширяющимся от входного отверстия к выходному отверстию каналом-замедлителем потока, образованным между внутренней стенкой вихревой камеры и установленным на ней отклонителем-замедлителем потока, с возможностью изменения геометрических параметров канала-замедлителя потока.
6. Обтекатель по п.5, отличающийся тем, что отклонитель-замедлитель потока прикреплен к внутренней стенке вихревой камеры посредством рычага, имеющего шарнирные соединения с внутренней стенкой вихревой камеры и с отклонителем-замедлителем потока.
7. Обтекатель по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что он снабжен мультипликатором-замедлителем потока, состоящим, по меньшей мере, из двух последовательно установленных каналов-замедлителей потока, при этом первый (ближний к носовым обводам) канал-замедлитель потока своим входным отверстием сообщается с эжекционным каналом на участке его перехода в вихревую камеру, а выходным отверстием - с вихревой камерой и входным отверстием последующего канала-замедлителя потока.
8. Обтекатель по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что с наружной стороны вихревой камеры установлен, по меньшей мере, один канал-ламинатор потока, образующий в носовой части обтекателя либо корпуса тела входное отверстие и имеющий смежное с выходным отверстием вихревой камеры выходное отверстие, при этом отношение площади поперечного сечения выходного отверстия канала-ламинатора потока к площади поперечного сечения его входного отверстия составляет 0,7-1,3÷1,0.
9. Обтекатель по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что он снабжен вихревым активатором, состоящим из блока управления процессом вихреобразования, датчика скорости движения тела и расположенного с внутренней стороны эжекционного канала, снабженного устройством перекрывания входного отверстия, по меньшей мере, одного подающего канала, при этом подающий канал образует в носовой части обтекателя либо корпуса тела входное отверстие, а на внутренней стенке вихревой камеры - выходное отверстие, причем концевая часть подающего канала с внутренней стенкой вихревой камеры образует большой угол.
10. Обтекатель по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что эжекционный канал имеет сужающуюся до вихревой камеры носовую часть, образованную изгибом внутренней стенки эжекционного канала.
11. Обтекатель по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что эжекционный канал (собственно эжекционный канал и канал-ускоритель потока), вихревая камера и канал-ламинатор потока выполнены с возможностью изменения их геометрических параметров.
12. Обтекатель по п.11, отличающийся тем, что эжекционный канал и вихревая камера образованы между корпусом обтекателя либо корпусом тела и основным отклонителем потока, собственно эжекционный канал образован между корпусом обтекателя (корпусом тела) и установленным в эжекционном канале отклонителем-ускорителем потока, канал-ускоритель потока - между перекрывающими друг друга частями основного отклонителя потока и отклонителя-ускорителя потока, а канал-ламинатор потока - отклонителем-ламинатором потока и основным отклонителем потока, при этом основной отклонитель потока, отклонитель-ускоритель потока и отклонитель-ламинатор потока прикреплены к корпусу обтекателя (корпусу тела) посредством маятникового рычага, имеющего с корпусом обтекателя (корпусом тела) и каждым отклонителем потока шарнирные соединения, с возможностью изменения угла между продольной осью маятникового рычага и каждым отклонителем потока и изменения угла между продольными осями корпуса обтекателя (корпуса тела) и маятникового рычага.
