§17. Вихревой двигатель


В главе III, посвященной движению дискретных материальных объектов, в §2 был получен удивительный результат: при движении шарика по сужающейся криволинейной траектории (с переменной кривизной) происходит увеличение его кинетической энергии за счет работы, совершаемой реакцией со стороны криволинейной стенки на движущийся шарик. Это увеличение кинетической энергии определяется формулой (3. 2. 40):
,                                                                 (1)
где - начальная скорость движения шарика, и - радиусы кривизны траектории в начале и в конце движения.
Это свойство криволинейного движения, очевидно, будет иметь место и при движении жидкости, что открывает большие перспективы в создании механизмов с коэффициентом полезного действия, большим единицы. Для этого надо использовать элементы конструкции, которые будут закручивать поток жидкости по сужающейся спирали. Такими элементами могут быть, так называемые, улитки: со спиралью Архимеда, с логарифмической спиралью и даже с сочетанием дуг различных окружностей.
На рис. 1 показана улитка, состоящая из дуг окружностей и соединенная с вихревой трубой. Движение жидкости в улитке происходит следующим образом. Жидкость поступает во входной канал улитки, который имеет прямоугольное сечение , а радиус кривизны . Благодаря изгибу канала поток жидкости будет иметь различные скорости по его сечению: с внешней стороны скорость будет больше с внутренней стороны скорость V1¢ меньше. Примем, что скорость будет равна входной скорости . Средняя скорость во входном канале будет . Из входного канала жидкость поступает в широкую часть улитки. В широкой части улитки можно выделить три зоны: I зона соответствует части круга радиуса , ограниченной горизонтальным диаметром, II зона расположена между окружностью переходного радиуса и горизонтальным диаметром, III зона ограничена окружностью вихревой трубы и смещена относительно двух первых зон в область вихревой трубы.
В первой зоне поток из входного канала совершает вращательное движение вокруг точки с максимальным радиусом вращения . Эпюра распределения линейных скоростей потока в этой зоне показана на рис. 1, а,б.
Во второй зоне поток будет вращаться вокруг точки и будет ускоряться, так как радиус кривизны будет меньше радиуса , и, следовательно, к потоку будет подводиться дополнительная внешняя энергия. Часть потока при этом будет всасываться в вихревую трубу. В третьей зоне поток полностью входит в вихревую трубу радиуса .
Таким образом, улитка, закручивая поток, увеличивает скорость его движения и сообщает ему дополнительную энергию. Эта дополнительная энергия будет затрачиваться на создание вращательного движения жидкости в вихревой трубе. Энергия же поступательного движения жидкости изменяться не будет, если жидкость циркулирует в замкнутой гидравлической системе.
Размеры улитки зависят от количества поступающей в нее жидкости (расхода) и скорости ее движения. Скорость движения жидкости на входе в улитку не может быть очень большой, так как в противном случае улитка будет иметь большое гидравлическое сопротивление. Приведем примерный расчет улитки данной конструкции.
Сначала зададимся площадью поперечного сечения входного канала- , где b- ширина, а h-  высота (см. рис. 1,а). Затем зададимся отношением входного и выходного радиусов кривизны- , где .
Из закона сохранения момента количества движения следует:
,                                                                                     (2)
так как масса потока жидкости не изменяется. Отсюда следует:
,                                                                 (3)
где .
Однако, надо иметь в виду, что в соответствии с формулой (3) будет увеличиваться только максимальная окружная скорость, средняя же скорость движения жидкости в улитке будет зависеть только от величины поперечного сечения канала и расхода жидкости. Так как сильно снижать среднюю скорость жидкости в улитке нет смысла, то следует выполнить следующее условие:
(4)
Если средняя скорость будет меньше , то в середине вихревой трубы не будет возникать встречного завихрения жидкости, а это значит, что условия всасывания жидкости в вихревую трубу будут лучше.
На рисунке 1, б показана эпюра скоростей с . Здесь скорость соответствует ширине входного канала улитки b, а расстояние - радиусу центрального всасывающего вихря (см. рис. 1, а).
В соответствии с рис. 1, б найдем соотношения между параметрами улитки. На ширине кругового вихря, равной ширине входного канала b, средняя его скорость должна равняться . При использовании такого условия можно найти скорость и расстояние . Так как:
,                                                    (5)
то
(6)
Средняя скорость может быть найдена из треугольника скоростей на входе жидкости во вторую зону улитки (см. рис. 1, а).
Так как
,                                                                             (7)
то
(8)
Подставив это значение скорости в выражение (6), получим:
(9)
Радиус найдем из отношения подобия:
,                                                                      (10)
откуда получим:
(11)
и
(12)
Для нормальной работы улитки, как уже говорилось выше, значение должно быть больше нуля: .
Радиус кривизны вихревой трубы может быть найден из соотношения:
(13)
Из соотношения радиусов:
(14)
может быть найдено возможное значение :
,                                                                             (15)
максимальное значение которого (при ) зависит от отношения . Так при =0,5 и коэффициент будет равен 1,5.
Найдем отношение средних скоростей и :
(16)
При =1,5 и =0,5 значение будет равно:
,
т.е. средние скорости в сечения 1 и 2 будут одинаковы.
В соответствии с приведенными расчетами конструктивные параметры улитки будут определяться в следующей последовательности.
1. Исходя из величины расхода жидкости и принимаемого значения скорости ее течения определяется площадь входного сечения и выбирается ширина b.
2. По выбранному значению и отношению по формуле (15) определяется коэффициент .
3. По выбранному значению внутреннего диаметра вихревой трубы определяется радиус кривизны .
4. На горизонтальной прямой выбирается положение центра и проводятся полуокружность радиуса и часть дуги, примерно, в 600 радиуса , которая ограничивает часть выступающего языка, второй радиус которого равен радиусу вихревой трубы (см. рис. 1, а).
5. Определяется радиус переходной дуги , величина которого определяется  из соотношения (см. рис. 1, а):
,                                                                   (17)
где величиной толщины основания языка следует задаться.
Положение центра переходного радиуса определяется от правого конца полуокружности радиуса . Затем проводится полуокружность радиуса .
6. Положение центра вихревой трубы определяется от левого конца полуокружности переходного радиуса.
Сконструированная таким образом улитка позволяет увеличить скорость потока жидкости и ее кинетическую энергию за счет закручивания в вихревой трубе, которая, благодаря этому, и получила свое название. В вихревой трубе вращающийся поток жидкости совершает и осевое движение, продвигаясь вдоль трубы. При движении в осевом направлении скорость вращения потока будет уменьшаться за счет трения между слоями жидкости и о стенки трубы. Это приводит к тому, что давление в потоке на оси трубы будет увеличиваться по мере удаления от улитки, в результате чего возникнет противодавление, оказывающее сопротивление осевому движению жидкости. В холодильных установках, например, использующих вихревое движение для охлаждения газа, возникает за счет этого встречный осевой поток холодного газа [12]. Правда, в этих установках отношение имеет небольшую величину, а коэффициент гораздо больше, чем мы использовали в примерах. В гидравлических устройствах для недопущения встречного движения жидкости от противодавления используется подвод дополнительного потока жидкости с большим давлением с торцевой стороны улитки. В результате получится так называемый вихревой насос, который может всасывать жидкость и оказывать тем самым помощь центробежному насосу, включенному в гидравлическую систему.
Однако, рассматриваемая конструкция может быть использована и иначе. Поскольку в улитке поток жидкости, закручиваясь, разгоняется и увеличивает свою кинетическую энергию, то использование последовательного соединения нескольких улиток и вихревых труб даст возможность значительно увеличить скорость и энергию потока. Для этого только надо гидравлическую систему сделать замкнутой, как это представлено на рис. 2. Эта система представляет собой, по сути дела, вихревой двигатель, который будет работать за счет подвода к жидкости дополнительной энергии от улиток. Работать этот двигатель будет следующим образом. С помощью постороннего источника энергии будет раскручиваться внутренняя турбина, раскручивая и жидкость в левой трубе. Завихренный поток жидкости будет поступать на вход нижней улитки, где скорость его вращения увеличится. Поток жидкости с увеличенной скоростью вращения из правой вихревой трубы попадет в верхнюю улитку, где скорость его вращения увеличится еще больше. И так, после какого-то числа циклов скорость вращения потоков в трубах будет достаточной для дальнейшего самостоятельного раскручивания без подвода внешней энергии. Энергию этого движения уже можно использовать в практиче
ских целях. И такой двигатель, по сути дела, может долго работать без подвода внешней энергии.
В заключение изложенного можно сказать, что нами рассмотрена принципиальная идея вихревого двигателя. Конструктивно он конечно будет выглядеть гораздо сложнее. И конечно, требуется экспериментальная проверка этой идеи. В случае успеха перед такими двигателями откроется широкая перспектива в их использовании.

Полезная информация

Интересные предложения
В ближайшее время планируется опубликовать первую часть научной работы Макарова Б.И. "Законы управляющие вселенной"
  • http://www.occ-group.ru/ calls 24 аутсорсинговый контакт центр аутсорсинг.

Популярные Материалы

Теория

Гидравлический теплогенератор с КПД 120-170 % - вымысел или реальность? КПД выше единицы означает, что количество выделяемого тепла будет больше, чем потребленная электродвигателем энергия. Однако, научного объяснения это важное обстоятельство до сих пор не имеет. Позже мы опубликуем свою версию объяснения этого явления.

Последние Публикации