Предлагается воздушный тороидально-вихревой массодинамический источник вращательного движения ротора (вихревой двигатель), работающий за счёт дополнительного нагрева внутренней вихревой тороидальной структуры, или без дополнительного нагрева за счёт превышения скорости вращения ротора выше критической.

Принцип работы основан на том, что термомеханическим способом специальными завихрителями создаётся воздушная вихревая трёхмерная тороидальная структура в виде само выворачивающегося бублика по аналогии с природным смерчем, торнадо, с одновременным разделением как по направлению, так и по температуре на внутренний восходящий, наружный нисходящий в вертикальной плоскости и внутренний с наружным торовый в горизонтальной плоскости спиральные вихревые потоки, которые в рабочем режиме взаимодействуют с самими завихрителями и приводят их в принудительное вращение с дальнейшим отбором мощности.

Работает воздушный массодинамический генератор, увеличивающий кинетическую энергию воздушного потока за счет его тепловой энергии, вследствие действия массодинамисеских сил.

В конструктивном плане заявленный двигатель представлен на рис. № 9.9.1.

Рис. № 9.9.1.Вихревой двигатель.

       Вихревая тороидальная структура по типу само выворачивающегося бублика формируется с помощью двух приводных вращающихся лопастных конструкций логарифмической формы 5, 13, размещённых на вращающемся общем горизонтальном приводном валу 12. Привод осуществляется от двигателя 15.

Сами отдельные закрученные воздушные течения формируются с помощью множества отдельных ленточных завихрителей с трапециевидной канавкой без корпуса 4. Каждый ленточный завихритель 4 при своём движении формирует за собой отдельно вращающееся воздушное течение. Все индивидуальные ленточные бес корпусные завихрители   размещены симметрично и последовательно по всей длине 2-х логарифмических  спиралей под небольшим наклоном по ходу вихревого спирального торового потока. 

Принудительное вращение двух блоков завихрителей 5, 13 вокруг собственной оси в вертикальной плоскости с одновременным их вращением по кругу в горизонтальной плоскости формирует при своём двухмерном вращении тороидальный воздушный вихрь по форме само выворачивающегося бублика, который состоит из множества отдельных воздушных вращающихся течений по логарифмической спирали вдоль всего объёма тороидального вихря. Каждый оборот двумерного вращения одного блока завихрителя 5 или 13 при прохождении раз за разом через сформированную вторым блоком трёхмерную вихревую воздушную структуру не подавляет её из-за турбулизации среды, а наоборот поддерживает её и усиливает. Такого рода оптимальность подсказывается (Т.Е.Фабер. Гидроаэродинамика. М., Постмаркет, 2001. — 560 с.) природой (ячейки Бенара).

Такая организация спирального вихревого движения  совместно с установкой терморазделительных диффузоров 2, 8, 11 обеспечивает формирование воздушных потоков  четырёх направлений с терморазделением на:

1. Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток  с повышенной температурой 16,15.
2. Горизонтальный торовый вихревой противоток с пониженной температурой  14.
3. Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток с повышенной температурой 3, 20.
4. Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток с пониженной температурой 17.

При этом терморазделение и разделение по направлению  потоков  в вихревой структуре аппарата обеспечивается  за счёт:

1.       Установки двух терморазделительных диффузоров 8, 11 (по типу  терморазделительного диффузора прямоточной трубки Ранка) на  общем приводном горизонтальном валу 12 двух блоков завихрителей 5, 13, за счёт которых внутренний вихревой поток отражается от диффузора. Вследствие того, что поток уже имеет организованную турбулизацию (закручивание теплового движения молекул газа массодинамическим полем периферийного вихря), то отраженные от диффузоров 8, 11 потоки также является закрученными. Направление вращения отраженных потоков остается прежним, но поскольку направление их  осевого движения меняется на противоположное периферийному вихрю 16,15, то направление вращение осевого вихря так же является противоположным ему. Образуется известный горизонтальный внутренний осевой холодный противоток 14.

2        Установки  внизу  не вращающегося терморазделительного диффузора 2  (по типу  терморазделительного диффузора противоточной трубки Ранка), за счёт которого внутренний вихревой поток отражается от диффузора. Вследствие того, что поток уже имеет организованную турбулизацию (закручивание теплового движения молекул газа массодинамическим полем периферийного вихря), то отраженный от диффузора поток также является закрученным. Направление вращения отраженного потока остается прежним, но поскольку направление его осевого движения меняется на противоположное периферийному вихрю 3, 20, то направление вращение осевого вихря так же является противоположным ему. Образуется известный внутренний вертикальный холодный осевой противоток 17.

         В данном случае понижение температуры горизонтального внутреннего осевого противотока 14 приводит к повышению температуры периферийного горизонтального потока 15, 16. Сам периферийный горизонтальный поток 15, 16 одновременно формирует периферийный вертикальный поток 3, 20 и напрямую связан с терморазделением в вертикальной плоскости. Таким образом терморазделение в горизонтальной плоскости приводит как минимум к двукратному усилению эффекта терморазделения в вертикальной плоскости и значительному понижению температуры известного внутреннего вертикального холодного осевого противотока 17.

Таким образом сформированная тороидальная вихревая структура с одновременным разделением потоков по направлению и температуре является сферическим тороидальным вихрем Хилла (Моффат, Кит (2008). «Vortex Dynamics: Наследие Гельмгольца и Кельвина». IUTAM симпозиум по гамильтоновой динамике вихревых структур, турбулентность 6: 1—10. DOI:10.1007/978-1-4020-6744-0_1.), в котором проявляется эффект терморазделения между внутренним восходящим, наружным нисходящим в вертикальной плоскости, внутренним и наружным торовым в горизонтальной плоскости спиральными вихревыми потоками, дальнейшее развитие которых реализовано в вихревых терморазделительных трубках Ранка (Вихревой эффект и его применение в технике. Меркулов А.П. – М.: Машиностроение, 1969 год – 185 с). 

Основным условием усиления и поддержания вихря является высокая разность температур потоков. Дополнительный нагрев горизонтального торового вихревого противотока 14 приводит к дополнительному нагреву внешнего горизонтального торового вихревого потока 15,16, который напрямую связан с вертикальным внутренним и наружным кольцевыми вихревыми противотоками 3 и 17. Таким образом повышение температуры газовыми горелками 12, 19 горизонтального внутреннего торового вихревого потока 14 приводит к значительному повышению температуры внешнего горизонтального потока 15,16. Т.к. внешний горизонтальный торовый поток является образующим вертикальных потоков, то повышение его температуры за счёт  терморазделения приводит к понижению температуры вертикального внутреннего кольцевого вихревого противотока 17 . Как следствие, происходит усиление и самогенерация вихревого, спирального, восходящего движения воздушного потока во внутренних слоях вихря. Работает воздушный массодинамический генератор, увеличивающий кинетическую энергию воздушного потока за счет его тепловой энергии, вследствие действия массодинамисеских сил. 

После того, как будет сформирована первоначальная вихревая структура по типу природного смерча, торнадо – привод двух блоков ленточных завихрителей отключается.  Это необходимо для целей самовращения блоков завихрителей уже от сформированной многомерной вихревой тороидальной структуры, повышения эффективности терморазделения  и отбора мощности от общего приводного вала 1.

          В этом случае источником энергии вихря выступает дополнительный нагрев внутреннего горизонтального потока двумя газовыми горелками 12, 19. 

ЭКСПЕРИМЕНТ

Была собрана модель см. рис. № 9.2.

Рис. № 9.2. Модель вихревого двигателя / холодильника.

Модель тестировалась на проверку гипотез температурных изменений без дополнительного нагрева горизонтального торового вихревого потока, на которых основывается принцип работы предлагаемого вихревого двигателя:

1. Горизонтальный торовый периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.

2. Горизонтальный торовый вихревой противоток имеет пониженную температуру.

3. Вертикальный внешний кольцевой периферийный вихревой поток имеет повышенную температуру.

4. Вертикальный внутренний кольцевой вихревой противоток имеет пониженную температуру.

ВЫВОД.

Резиномоторный привод обеспечил вращение ротора с максимальной частотой 1 об/сек. Большего значения получить не удалось. При такой скорости вращения ротора подтвердились все заявленные выше гипотезы на уровне изменений температур уровня +- 1 градус.

Для продолжения экспериментальных работ необходимо изготовить полномасштабную модель с электрическим приводом и частотой вращения ротора в десятки оборотов в секунду.

Основываясь на полученных предварительных данных эксперимента с упрощённой резиноимоторной моделью можно предположить следующее:

1. Полномасштабная модель двигателя при больших скоростях вращения ротора выведет градиент температур воздушных потоков на новый уровень.

2. С учётом дополнительного подвода тепла во внутреннюю вихревую тороидальную структуру — воздушный массодинамический генератор увеличит кинетическую энергию воздушного потока так. В этом случае вихревой генератор превратиться в вихревой двигатель для целей дальнейшего использования вращательного движения ротора.

3. Возможно, что при превышении скорости вращения ротора выше определённого значения появится некомпенсированная сила. Это означает, что температурные вихревые потоки, взаимодействуя с самим завихрителем будут приводить его во вращение без дополнительного подвода тепла.