СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ СМАЗКИ ДЛЯ БЫСТРОХОДНОГО СУДНА НА СЖАТОМ ПНЕВМОПОТОКЕ ПОД ДНИЩЕ
METHOD OF OBTAINING ADDITIONAL PRESSURE OF GAS LUBRICANT FOR HIGH-SPEED SHIP ON COMPRESSED AIRFLOW UNDER BOTTOM

Изобретение относится к области создания транспортных средств, использующих динамическую воздушную подушку, обладающим высокопроизводительным свойством компрессора на использовании импеллера, реактивная струя которого направлена для пневмоканалов в виде сжатого воздуха под днищем для создания подъемной и тяговой силы, и может быть использовано для малых быстроходных судов и создания газовоздушной смазки под днищем и направлено на улучшение, как гидродинамических, так мореходных характеристик этих судов.
Известно устройство для реализации способа передвижения и управления транспортным средством на воздушной подушке, содержащем корпус с движительной установкой, создающей давление воздуха под днищем и двигающее судно, днище выполняют из частей, разделенных под различными углами и само днище, оборудуют боковыми скегами, при этом дополнительно оборудуют продольными напорными каналами, выполненными в виде полых труб из легкого алюминиевого сплава, активные сопла, а также уступ с переходным двухфазным соплом (Патент RU №2614367, B60V 3/06, B60V 1/04, В63В 1/38 от 24.03.2017).
Однако, несмотря на его широкие возможности, при управлении этим транспортным средством днище, во-первых, разделено уступом с переходным двухфазным соплом. Во-вторых, судно в движении использует часть сжатого воздушного потока из сопла импеллера через сквозные продольные напорные каналы, выполненными цельными по всей длине из легкого алюминиевого сплава. Другим недостатком является то, что отсутствует возможность практического использования одновременно высокой температуры непосредственно работающего двигателя внутреннего сгорания, соединяющего крутящий момент лопастей, в виде отработавшего всего газа через выхлопные трубы для поступления его непосредственно на водную опорную поверхность в зависимости от мощности двигателя внутреннего сгорания, выделяющего много дымового тепла при учете скорости движения, когда дымовые горячие газы, смешиваясь со сжатым воздухом, поступающего из сопла импеллера, создают каверну водяного пара, значительно влияет весогабаритных характеристик судна за счет формирования слоя газа между днищем движущегося судна и водой, который значительно уменьшает зону контакта между ними, но в, то, же время необходимо таким судам развивать высокую скорость по сравнению с аналогом, и в наших условиях это экономически оправдано. Иначе говоря, под всем днищем формируется несколько малых трубок-реданов со щелями по длине их и определяется в зависимости от размера корпуса и мощности установленного двигателя. Указанные выхлопные щели с дымовым теплом имеют общую площадь отверстий с учетом каждой малой трубок-реданов, заглушенных на конце, должно быть не меньше площади сечения по объему распределительной газовой камеры, прикрепленной к верхнему днищу закрытого пневмоканала и выше нижнего его выполненного переходным участком с прямоугольным коротким днищем в сторону открытого пневмоканала днища корпуса, чтобы создавать свободного прохода сжатого воздуха из сопла импеллера в сторону открытого пневмоканала с прямоугольным днищем в плане между боковыми скегами, а также не создавать повышенного сопротивления в каналах выхлопных газов и обеспечить равномерное распределение выхлопных газов на поверхности днища.
Применение судового двигателя является не только средством вращения винта импеллера, создающего сжатый воздух, но еще является в качестве средства для поддува выхлопных газов, что позволяет повысить изготовления и эксплуатации судна на сжатом пневмопотоке. При выходе выхлопных газов в воду смешиваясь с воздухом, образуются мелкие пузырьки газовой смеси, образующие сплошной слой газовой смазки по всей форме днища открытого пневмоканала корпуса.
Из известных технических решений по технической сущности прототипом является способ получения дополнительного давления газовоздушной струи для скоростного судна на пневмопотоке под днище, имеющего корпус с движительной установкой, создающей давление воздуха под днище, выполняют из частей, размещенных под различными углами, и само днище оборудуют боковыми скегами, при этом дополнительно оборудуют продольными напорными каналами, выполненных в виде полых труб из легкого алюминиевого сплава, при этом продольные боковые напорные каналы соединяют в носовой части судна посредством трубы с источником горячего всего потока газа выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания для образования каверны водяного пара высокого давления, который связывают с выходом всего дымового газа через выполненные насадки инжектируемой среды, связанные через отверстия, расположенные в продольных напорных каналах в виде полых скегов, концы которых со стороны кормовой части заглушены, и насадки выполняют под углом удлиненными с возможностью их вертикального поворота относительно вертикальных внутренних стенок скегов для выхода горячего потока газа выхлопной трубы в область воздушной подушки сжатого пневмопотока, выходящего через сопло импеллера в пневмоканал под днищем судна, при этом под днищем судна образуется смешение разнородных активных сред высокого давления, выходящих в сторону сзади кормы, кроме того, работу двигателя совмещают с нагнетателем высокого давления в виде импеллера в режиме компрессора, создающего газодинамическую струю высокого давления, выходящую из сопла импеллера (Патент RU №2695712, B60V 3/06, В63В 1/38 от 25.07.2019).
Данное техническое решение позволяет повысить скорость и скорректировать скорость влияние на скорость судна на пневмопотоке за счет формирования слоя газа между нижней поверхностью движущегося судна и водой, который значительно уменьшает зону контакта между ними. В то же время, как следует из описания к патенту, это решение хотя и применимо к судам на воздушной подушке, конструкция выполненных насадков инжектируемой среды, связанные через отверстия, расположенные в продольных напорных каналах в виде полых скегов, концы которых со стороны кормовой части заглушены, конструкция которых в принципе является громоздкой и сложной в управлении, а их изготовления - достаточно сложно подобрать конструктивно, чтобы не позволить таким суднам развивать более высокую скорость. Кроме того, выход дымового газа из сопел будет сноситься ближе к боковым стенкам скегам, так как сжатый воздух по давлению превышают его силу и, дымовые газы в основном начинают отталкиваться в сторону от центра днища корпуса, а это не достаточно ведет к газовой смазки непосредственно по всей ширине днища пневмоканала со сжатым воздухом. Поэтому для малых быстроходных судов на пневмопотоке предложенная в патенте система создания газово-воздушной пленки под корпусом всего судна по ширине получается слишком малой и сложной, и не достаточно эффективной, т.е. средняя часть не получает заданной повышенной смазки, и она остается без выхлопных газов (а это очень важно для таких судов, катеров), так как они быстро будут удаляться уже сбоку скегов (параллельно им) самим выпуском под большим прижатием сжатого потока воздуха сразу в сторону кормовой части судна, а значит смешивания этих сред недостаточно эффективно и неполно отвечает для заполнения по ширине днища судна, определяемом в зависимости от размера корпуса и мощностью установленного двигателя, тем самым повышая затраты на такую конструкцию судна на пневмопотоке. При этом пузырьки газа будут быстро сжиматься, не доходя до середины днища корпуса, и не образуя плотного газового слоя по всей равномерно ширине между днищем корпуса судна и водой при выходе одновременно сжатого воздуха из сопла импеллера, что не позволяет получить устойчивого эффекта «газовой смазки» и тем самым снижает скоростные возможности судна на пневмопотоке.
В предложенном решении сжатый воздух увлекает не только водяные потоки между скегами за собой в сторону кормы, но одновременно равномерно газо-воздушные потоки впрыскиванием под днище по всей ширине днища между скегами от центра к краям, где должны задерживаться боковыми цельными скегами, причем чем больше скорость, тем сильнее воздушные потоки прижимаются к боковым скегам корпуса, тем самым также препятствуя «газовой смазке, по всей поверхности днища и направляя равномерно в сторону кормовой части.
Заявленное изобретение решает задачу создания быстроходного маломерного судна на пневмопотоке с повышенной скоростью при использования к днищу в закрытом участке крепления распределительной газовой камеры выхлопного газа, соединенной с продольными напорными газопроводами в виде малых обтекаемой формы труб-реданов, расположенных рядами и параллельно друг другу по длине основного открытого пневмоканала с выхлопными щелями, подающими выхлопные дымовые газы, при этом концы труб-реданов заглушены.
Технический результат от использования предложенного изобретения заключается в повышении мореходности и скорости движения судна на сжатом пневмопотоке за счет эффективного нагнетания выхлопных газов по всей ширине днища судна, с образованием так называемой «газовой смазки», а также в повышении экономичности его изготовления и эксплуатации благодаря использованию простого по форме узла распределительной газовой камеры непосредственно расположенной выше нижнего днища закрытого участка пневмоканала, в который поступает свободно без сопротивления сжатый воздух от импеллера в сторону открытого пневмоканала и, в последнем закреплены к днищу малые обтекаемые трубки-реданы со щелями, при этом форма днища стандартно выполнена плоской, более дешевого и технологичного по гидродинамической модели (например, когда днище бывают переменной килеватностью и т.д.).
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения дополнительного давления газовой смазки под днище для быстроходного судна на сжатом пневмопотоке, имеющего корпус с движительной установкой, создающей давление воздуха под днищем и двигающей судно, в котором днище выполняют из частей, размещенных под различными углами, и днище оборудуют продольными напорными каналами, выполненных в виде полых труб из легкого алюминиевого сплава, при этом каналы соединяют в носовой части судна посредством трубы с источником всего горячего дымового газа выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания для образования каверны водяного пара высокого давления, которой связывают с выходом всего дымового газа с напорными каналами, концы которых со стороны кормовой части заглушены, при этом под днищем судна образуется смешение разнородных активных сред высокого давления, выходящих в сторону сзади кормы, кроме того, работу двигателя совмещают с работой нагнетателя высокого давления в виде импеллера в режиме компрессора, создающего газодинамическую струю высокого давления, выходящую из сопла импеллера, согласно изобретения, между скегами расширяющегося днища с образованием закрытым пневмоканалом с прямоугольным коротким днищем в сторону сопряжения основного открытого пневмоканала днища корпуса, закрытый пневмоканал выше своего нижнего короткого днища на некотором расстоянии вверх соединяют жестко с верхним днищем его, являющимся продолжением днища корпуса судна в сторону открытого пневмоканала, с распределительной газовой камерой, включающую газовод, соединенный с газовыхлопными трубами двигателя внутреннего сгорания, подающие из распределительной газовой камеры, выхлопные газы поступают в продольные напорные газопроводы в виде малых обтекаемых труб-реданов, расположенных рядами и параллельно друг другу по длине днища основного пневмоканала, концы которых заглушены, а в нижней части их выполнены выхлопные щели, подающие выхлопные газы к нижней открытой опорной поверхности воды, при этом по обе стороны от боковых скегов внутри в продольном направлении и выше их опорных концов также выполнены малые обтекаемой формы трубы-реданы со щелями, соединяют дополнительно с распределительной газовой камеры.
Кроме того, трубы-реданы, образующие формирование давления выхлопных газов и способствующих устойчивую форму мелко-пузырьковой газовоздушного слоя под днищем открытого пневмоканала, соответствующего форме днища заполняемого сжатым воздухом с опорной поверхностью воды, расположены на определенном расстоянии выше нижних опорных концов скегов, и выше днища закрытого участка пневмоканала между выступающими скегами.
Кроме того, верхние части малых труб-реданов закреплены к днищу открытого пневмоканала жестко или съемное крепежом, а нижние части имеют щели для выхода выхлопных газов судового двигателя внутреннего сгорания в зону воздушной подушки и смешения разнородных сред высокого давления по ширине днища корпуса, выходящих в сторону сзади кормы.
Кроме того, количество пар выхлопных щелей в трубах-реданах определяется в зависимости от размера днища открытого пневмоканала между боковыми скегами и мощностью установленного двигателя внутреннего сгорания.
Кроме того, для обеспечения равномерного распределения выхлопных газов под днищем открытого пневмоканала площадь отверстий всех выходящих отверстий на каждой трубе-редана должна быть не меньше площади сечения по объему распределительной газовой камеры с подсоединением газопроводов от двигателя.
Кроме того, распределительная газовая камера и трубы-реданы выполнены преимущественно из легкой нержавеющей стали или из алюминиевого сплава и закреплены жестко или съемное крепежом, например с помощью хомутов к днищу судна.
Кроме того, корпус судна выполнен преимущественно из композитного материала.
Указанные отличия увеличивают в районе прямоугольного днища с расположенными малыми трубами-реданами со щелями, которые образуют ряд параллельно друг другу по длине открытого пневмоканала и подающих выхлопные дымовые газы, ветви труб-реданов которых направлены в сторону кормы, между которыми днищевая поверхность создает устойчивый эффект «газовой смазки», ограничивающая сверху днищем открытого пневмоканала и оканчивающаяся не доходя самой кормовой части. Этим решается поставленная задача в повышении скорости при создании быстроходного маломерного судна (катера) без практического ограничения по мореходности в отличие от судов с применением кавернообразования, существенно улучшить параметры при качке и тем самым повысить эксплуатационное качество скоростное судно на пневмопотоке с «газовой смазкой» не только на тихой воде, но и, что особенно важно, на волнении. Такое смешение по всей ширине днища корпуса в открытом пневмоканале между боковыми скегами обеспечивает эту газо-воздушную массу в сторону канала между рулевыми устройствами. А значит, резко снижается полное гидродинамическое сопротивление на эксплуатационных скоростях движения при практически постоянной мощности силового импеллера с двигателем внутреннего сгорания. Кроме того, на нижней границе каждой выхлопной щели на малых трубах-реданах, выхлопные газы впрыскиваются сверху в зону повышенного давления создаваемого выходом сжатого воздуха из сопла импеллера в сторону воды, и образуются пузырьки с высоким внутренним давлением и образуют более плотный газовый слой, прилипающий к днищу пневмоканала в зоне смоченной опорной поверхности воды и скорость, может быть выше на 15-20% по сравнению со скоростью известных судов (катеров).
Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый, технический результат. Изложенное выше позволяет, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствие заявленного технического решения критерию «изобретательский уровень» и пригодно к осуществлению промышленным путем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показано скоростное судно с устройством создания на сжатом пневмопотоке с двигателем внутреннего сгорания, вид сверху; на фиг. 2 изображено судно на сжатом пневмопотоке в котором используется двигатель внутреннего сгорания, вид снизу; на фиг. 3 показана аксонометрическая проекция быстроходного судна в перевернутом положении; на фиг. 4 показа вид на кормовую часть судна.
Предлагаемый способ содержит перемещаемое скоростное судно 1 на сжатом пневмопотоке. Используют импеллер 2 связанный через ось вращения с редуктором двигателя 3 внутреннего сгорания топлива. Двигатель 3 внутреннего сгорания в процессе работы создающий поток выхлопных газов, которые через газоводы 4 и 5 поступают в распределительную газовую камеру 6 и закрепляют в закрытом участке пневмоканала 7 выше своего нижнего короткого днища на некотором расстоянии, давая проход свободного поступления сжатого воздуха от импеллера 2 в сторону открытого пневмоканала 8, днище которого выполнено преимущественно прямоугольной формы в плане, который ограничен продолжением боковыми скегами 9 и 10 находящихся на заглублении ватерлинии, соответствующей крейсерской скорости.
По ширине открытого днища пневмоканала 8 закреплены продольные напорные газопроводы 11,12, 13,14, 15 с газовыми дымовыми щелями 16 параллельно друг друга, концы которых заглушены. Под днищем открытого пневмоканала создается сплошной поток выхлопных горячих газов, поступающие через щели 16 из напорных газопроводов 11-15 в виде небольших обтекаемых труб-реданов, и которые соединены с распределительной газовой камерой 6. Высота скегов 8 и 9 принимается такой, чтобы весь образовавшийся газовоздушный и водяной потоки по ширине прямоугольного днища корпуса могли поступать только в выходной канал 17 сзади кормы между двумя рулями 18 и 19 со стороны концов скегов 9 и 10 со щитками 20 и 21, которые ограничивают общий канал 17 выходного сжатого воздуха смешанного с выходом дымовых выхлопных газов от двигателя 3 внутреннего сгорания, в результате чего образуется один общий газопаровой и водяной поток сзади кормы судна. Ось вращения рулей 18 и 19 соединяют сверху регулируемыми тягами 22 и 23 и соединяют далее в одном узле 24 для соединения с тягой, управляемой экипажем.
Корпус судна 1 может быть выполнен из стали либо алюминиевых сплавов, но преимущественно в изготовлении корпусов маломерных судов в последние годы отдается композитным материалам.
Распределительная газовая камера 6 предназначена для подачи газов под давлением через выхлопные щели 16 по всей ширине днища судна и выполнено в виде множество щелей малых (небольших геометрических размеров) обтекаемых труб-реданов 11-15, связанных с распределительной газовой камеры 6, и их количество по объему выпуска выхлопных газов должно быть не меньше площади сечения по объему распределительной газовой камеры 6 с подсоединением газопроводов 4 и 5 от двигателя 3 внутреннего сгорания с мощностью самого двигателя 3 внутреннего сгорания, вырабатывающего горячий дымовой газ высокого давления, соответственно, поступающего в распределительную газовую камеру 6. Поэтому весь сжатый воздух от источника в виде импеллера свободно через закрытый участок пневмоканала 7 и ниже закрепленной самой камеры 6 свободно подводится в сторону основного открытого пневмоканала 8 прикрытым в конце кормы отбойным козырьком 25, высота которого не должна превышать соответствующую высоту проходного сечения открытого пневмоканала 8.
Размеры выхлопных щелей 16 и их количество должно быть такой, чтобы перекрыть всю ширину начала и конца днища корпуса выше между боковыми стенками скегов 9 и 10, т.е. начала и конца смоченной поверхности открытого пневмоканала 8 судна. Сечение щелей 16 зависит от характеристик двигателя 3, и в частности, от его способности производить выхлопные газы достаточного объема для заполнения напорной распределительной газовой камеры 6, и должно соответствовать значениям выхлопного сопротивления двигателя, указанного в руководстве по эксплуатации.
В днище открытого пневмоканала 8 формируется множество выхлопных щелей 16, количество которых определяется в зависимости от размера корпуса в зоне открытого пневмоканала 8 и мощности установленного двигателя 3 для заполнения напорного распределительной камеры 6.
Применимость двигателя 3 вместе с импеллером 2 источника сжатого воздуха, дополнительно для поддува выхлопных газов позволяет повысить экономичность изготовления и эксплуатации судна на сжатом пневмопотоке.
Эксплуатация быстроходного судна на пневмопотоке осуществляют следующим образом.
При движении судна выхлопные газы от двигателя 3 внутреннего сгорания по газоводам 4 и 5 поступают в распределительную газовую камеру 6, а от нее через малые по размеру обтекаемые трубы-реданы 11-15 со щелями 16 поступают непосредственно под днище открытого пневмоканала 8 в область смоченной поверхности его днища. При выходе выхлопных горячих газов в воду они смешиваются и превращают по ширине днища корпуса в пары высокого давления, которые смешиваются с выпуском сжатого воздуха от источника в виде импеллера 2, ограничено боковыми скегами 9 и 10 по длине выхода сжатой струи потока в канал 17. При этом при выходе выхлопных газов пары воды с воздухом образуют мелкие пузырьки газовой смеси, образующие слой газовой смазки, по форме максимально, приближенной к соответствующей форме смоченной поверхности открытого днища пневмоканала 8.
Следует отметить, что боковые скеги 9 и 10, опорные концы, которых расположены несколько ниже самих труб-реданов 11-15, выполняют роль брызгоотражателей. В целом с этим началом движения судна на пневмопотоке использует не только реактивную силу сжатого воздуха, но и суммарно выводящие выхлопные газы под днище открытого пневмоканала 8, в виде щелей, расположенных за участком закрытого пневмоканала 7 в направлении движению судна, а также увеличить давление выхлопных газов, что способствует дополнительному увеличению зоны захвата пузырьками по всей ширине смоченного днища корпуса и создать устойчивую форму мелько-пузырькового газовоздушного слоя под днищем (происходит также дополнительно отсос выхлопных газов из щелей 16 за счет большой выходной скорости сжатого воздуха в движении судна), соответствующего форме смоченной поверхности «газовой смазки» открытого пневмоканала при глиссировании судна (катера).
Скоростное судно способно при эксплуатации превышать расчетные параметры известных маломерных судов по потреблению топлива и скорости, которая превышает на 15-20% по сравнению со скоростью известного прототипа. Таким образом, газовоздушный слой является эффективной «газовой смазкой» днища, снижающей гидродинамическое сопротивление за счет резкого увеличения размеров предварительно поджатых газовых пузырьков в пограничном слое расположения труб-реданов со щелями, что способствует более плотного слоя газовых пузырьков в набегающем потоке и поступления одновременно сжатого воздуха по всей площади открытого прямоугольной формы днища пневмоканала, что в конечном итоге приводит к значительному повышению скорости судна (катера) и повышению мореходности при сильной волне. При движении на высокой скорости судно острым носом прорезает волну, не успевая, вследствие инерционности, реагировать на циклические изменения или поддержания, что обеспечивает экипажу и пассажирам комфортность при движении с высокой скоростью по волнам.
Предлагаемое быстроходное судно может быть использовано для маломерных судов (катеров) на воздушной подушке, в результате повышаются эксплуатационные характеристики при создании скоростных судов с улучшенной управляемостью у данного судна.
Предлагаемое судно на пневмопотоке конструктивно просто, свободно от недостатков в прототипе, не ведет к заметному снижению грузоподъемности и экономично, и раскрытия сущности изобретения достаточны для его практической реализации при разработке и изготовлении данного судна на пневмопотоке, необходимо лишь применение дополнительных устройств.