ПРЯМОТОЧНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ ДЛЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА
DIRECT-FLOW PROPULSOR FOR WATER TRANSPORT

Предлагаемое изобретение относится к судостроению, в частности к средствам передвижения для водного транспорта, и может быть использовано в качестве движителя для судов различного назначения.
Общеизвестны и нашли самое широкое применение устройства для перемещения судов за счет вращения силового гребного винта.
Такие типовые устройства, применяемые для движения судна, малоэффективны, потому что имеют относительно низкий КПД. Так, по расчетам, полученным из различных источников, КПД гребного винта реально составляет 40%. Иными словами, большая часть энергии, поступающая к винту, тратится на бесполезное перемешивание жидкости. Кроме того, современные винтовые гребные силовые установки ненадежны, потому что гребной винт часто выходит из строя из-за динамических ударов при столкновении с различными предметами, плавающими в воде, часто запутывается в сетях и водорослях.
Известен также водометный движитель, обеспечивающий перемещение судна относительно воды, описанный в патенте РФ №2357891 C2, 27.08.2007.
Подобные движители создают прямолинейный поток воды и относительно просты в изготовлении.
Однако такие движители имеют невысокий КПД, особенно при низких скоростях движения судна, производят много шума и создают проблемы, связанные с кавитацией.
В качестве прототипа выбрано устройство для создания прямоточного потока воды и предназначенное для перемещения судов, описанное в патенте (RU 2305047, C2, 27.08.2007).
Известное устройство представляет собой волновой движитель, который содержит расположенные в ряд вдоль борта судна герметичные гофрированные чехлы, герметичное внешнее покрытие этих чехлов, трубопроводы высокого и низкого давления, сообщенные с чехлами для их последовательного надувания и сдувания от носа аппарата к корме, а также трубопровод среднего давления, сообщенный с пространством между чехлами для поддержания давления, равного забортному.
Его достоинством является образование искусственной водяной волны, скорость которой легко регулировать.
Недостаток известного технического решения заключается в том, что для его осуществления требуется сложный механизм сжатия и расширения чехлов. Кроме того, его применение возможно только для подводного аппарата.
Задачей данного изобретения является повышение КПД и надежности средств передвижения водного транспорта, а также повышение маневренности судов.
Техническим результатом является создание средства передвижения для водного транспорта, которое может быть использовано в качестве движителя для судов различного назначения, повышение КПД и надежности судового движителя и повышение маневренности судов, использующих предложенный движитель.
i
m
i
m
i
i
Технический результат достигается за счет того, что в прямоточном движителе для водного транспорта, содержащем трубопроводы и устройство, создающее струю воды за счет формирования в трубопроводе бегущих водяных волн, согласно изобретению, трубопроводы расположены ниже ватерлинии симметрично с двух сторон корпуса судна, в корпусе вдоль него на равном расстоянии L выполнены отверстия, проходящие в трубопроводы, внутри корпуса с каждой стороны установлены не менее двух пар объемных поршневых насосов, жестко сочлененных с корпусом и связанных с отверстиями с помощью подводящих шлангов, бегущие водяные волны формируют за счет того, что поршневые насосы выполнены с возможностью работы в возвратно-поступательном режиме, так, что мгновенные значения давлений «p», создаваемых насосами, подчиняются гармоническому закону, определяемому формулой p=Psin(ωt-φ), где ω=2πf, P - амплитудное значение давления, угол φ сдвига фаз мгновенных давлений, создаваемых насосами, равен φ=-180°(i-1)/n, n - число пар насосов, i - порядковый номер отверстия, отсчитываемый по ходу движения бегущей волны, при этом расстояние между соседними отверстиями L в трубопроводе равно L=τ/n, τ=V/2f - полюсное деление, равное расстоянию между отверстиями в трубопроводе, связанными с цилиндрами насосов, углы сдвига давлений по фазе которых равны 180°, V - заданная скорость движения текучей среды, f - частота колебаний поршней в поршневых насосах.
Между цилиндрами поршневых насосов, угол сдвига мгновенных давлений в которых равен 360°/n, и отверстиями могут быть установлены дополнительные шланги, а в основных и дополнительных шлангах установлены переключающие электромагнитные клапаны.
Расположение трубопроводов ниже ватерлинии симметрично с двух сторон корпуса судна, выполнение отверстий в корпусе вдоль него на равном расстоянии L, проходящих в трубопроводы, и наличие внутри корпуса с каждой стороны не менее двух пар объемных поршневых насосов, связанных с отверстиями с помощью шлангов, обеспечивает связь силовой установки с движителем.
i
m
i
m
i
i
Выполнение поршневых насосов с возможностью работы в возвратно-поступательном режиме, так, что мгновенные значения давлений «p», создаваемых насосами, подчиняются гармоническому закону, определяемому формулой p=Psin(ωt-φ), где ω=2πf, P - амплитудное значение давления, угол φ сдвига фаз мгновенных давлений, создаваемых насосами, равен φ=-180°(i-1)/n, n - число пар насосов, i - порядковый номер отверстия, отсчитываемый по ходу движения бегущей волны, при этом расстояние между соседними отверстиями L в трубопроводе равно L=τ/n, τ=V/2f - полюсное деление, равное расстоянию между отверстиями в трубопроводе, связанными с цилиндрами насосов, углы сдвига давлений по фазе которых равны 180°, V - заданная скорость движения текучей среды, f - частота колебаний поршней в поршневых насосах, насосы связанны с трубопроводами выводящими шлангами, подведенными к указанным отверстиям, обеспечивают формирование движущей волны, приводящей к созданию непрерывной водяной струи и перемещению судна.
Наличие между цилиндрами поршневых насосов, угол сдвига мгновенных давлений в которых равен 360°/n, и отверстиями дополнительных шлангов и установки в основных и дополнительных шлангах переключающих электромагнитных клапанов дает возможность формировать реверсивный механизм движения водных потоков в движителе. Кроме того, за счет этого повышается маневренность плавсредства.
Прямоточный движитель для водного транспорта иллюстрируется 8-ю фигурами.
На фиг.1 изображено судно, вид сбоку, с прямоточными движителями, расположенными с двух сторон корпуса.
На фиг.2 показана вторая проекция судна фиг.1.
На фиг.3 представлена конструкция движителя, реализованная с помощью четырех однокамерных объемных поршневых насосов.
На фиг.4 нарисована конструкция, реализованная с помощью шести однокамерных объемных поршневых насосов.
Фиг.5 демонстрирует диаграмму давлений, создаваемых шестью насосами.
На фиг.6 дана эпюра пространственного и временного изменения давлений в трубопроводе для шести насосов.
На фиг.7 представлена схема реализации реверса перемещения бегущей водяной волны для движителя, состоящего из четырех насосов.
На фиг.8 имеется схема реализации реверса для движителя, состоящего из шести насосов.
Прямоточный движитель для водного транспорта представляет собой трубопроводы 1, расположенные симметрично ниже ватерлинии с двух сторон корпуса 2 судна (фиг.1, 2). В корпусе 2, вдоль него на равном расстоянии L выполнены отверстия (на фиг. не обозначены), проходящие в трубопроводы 1. Внутри корпуса с каждой стороны устанавливают не менее двух пар объемных поршневых насосов, жестко сочлененных с корпусом судна и связанных с отверстиями с помощью подводящих шлангов (на фиг. не показаны).
i
i
m
i
m
В частности, на фиг.3 движитель состоит из четырех однокамерных объемных поршневых насосов. Каждый насос представляет собой цилиндр соответственно 3, 4, 5 и 6, сочлененный с корпусом судна. В цилиндрах расположены поршни соответственно 7, 8, 9 и 10. Цилиндры с помощью подводящих шлангов 11, 12, 13 и 14 соединены с трубопроводом 1 через отверстия в нем. Расстояния между соседними входными отверстиями (на фиг. не обозначены) для шлангов в трубопроводе равны L=τ/n, где n - число пар насосов, τ=V/2f - полюсное деление, V - заданная скорость движения бегущей волны, f - частота колебаний поршней в поршневых насосах. В данном примере τ - это расстояние между двумя входными отверстиями в трубопроводе, связывающими трубопровод 1 с цилиндрами 3 и 5 или с цилиндрами 2 и 4, т.е. цилиндрами угол сдвига создаваемого ими давления различается на 180°. Поршни насосов 7-10 приводят в возвратно-поступательное движение с помощью двигателей (на фиг. не показаны), воздействующих на соответствующие штоки. Камеры насосов и трубопровод заполнены текучей средой (на фиг. не обозначена). Мгновенные значения давлений «p», создаваемых насосами, подчинены гармоническому закону, определяемому формулой p=Psin(ωt-φ), где ω=2πf, P - амплитудное значение давления.
i
m
i
i
На фиг.4 дан вариант исполнения движителя, где использовано шесть однокамерных объемных поршневых насосов, состоящих из цилиндров 15-20 с поршнями соответственно 21, 22, 23, 24, 25 и 26. Цилиндры с помощью подводящих шлангов соответственно 27, 28, 29, 30, 31 и 32 соединены с трубопроводом 1. Расстояния между соседними входными отверстиями для шлангов в трубопроводе также равны L=τ/n, где n=3 - число пар насосов, τ=V/2f - полюсное деление. В данной фигуре τ - это расстояние между двумя входными отверстиями в трубопроводе, связывающими трубопровод 1 с цилиндрами 15 и 18 или цилиндрами 17 и 20 или цилиндрами 16 и 19. Эти пары работают в противофазе по отношению друг к другу, т.е. со сдвигом на 180°. Двигатели через штоки (на фиг. не обозначены) приводят в движение поршни. Мгновенные значения давлений «p», создаваемых насосами, также подчинены гармоническому закону, определяемому формулой p=Psin(ωt-φ), где φ=-180°(i-1)/n, n=3, ω=2πf. Сдвиг по фазе φ между давлениями у соседних насосов равен 60°, т.е. подчинен той же зависимости, что и в предыдущем примере, i - порядковый номер отверстия, рассчитываемый по ходу движения бегущей волны, т.е. в данном примере слева направо. Так же как и на фиг.3 камеры цилиндров 15-20 и трубопровод 1 заполнены текучей средой.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Диаграмма давлений для системы из шести цилиндров состоит из синусоидальных графиков давлений, создаваемых насосами. Условно примем, что положительная полуволна соответствует повышению давления в трубопроводе, а отрицательная волна его понижению. Графики обозначены в следующем порядке: для насоса с цилиндром 15 диаграмма давления обозначена цифрой 33 (фиг.5), для насоса с цилиндром 16 цифрой 34, для насоса с цилиндром 17 цифрой 35, для насоса с цилиндром 18 цифрой 36, для насоса с цилиндром 19 цифрой 37 и для насоса с цилиндром 20 цифрой 38. На диаграмме поперек оси ωt выделены вертикальными линиями моменты времени t, t, t, t, t, t, t, t, t, t, t, t.
i
i
12
Эпюра пространственного и временного изменения давлений в трубопроводе для шести насосов показывает направления мгновенных давлений p, определяемых действием насосов с цилиндрами 15-20 в местах сочленения шлангов 27, 28, 29, 30, 31 и 32 с трубопроводом 1 в тот или иной момент времени (фиг.6). Направления сил, действующих вдоль трубопровода, показаны горизонтальными стрелками. Результирующая волна давления, создаваемая в трубопроводе для того или иного момента времени t, показана треугольниками. Если давление повышено (горизонтальные стрелки направлены навстречу друг другу), вершины треугольников обращены вверх. Если давление в трубопроводе на данный момент понижено (горизонтальные стрелки направлены в противоположные стороны), то вершины треугольников обращены вниз. Из фигуры видно, что, в зависимости от времени, вдоль трубопровода проходит продольная волна повышенного или пониженного давлений. Этот процесс после момента времени t повторяется.
Аналогичная картина будет иметь место и при работе четырех насосов, показанных на фиг.3 и действующих в указанной последовательности. Разница лишь в том, что при наличии 4 цилиндров этот процесс будет несколько менее равномерен.
Чтобы изменить направление движения бегущей волны в трубопроводе 1 для системы, состоящей из четырех однокамерных объемных поршневых насосов одностороннего действия 3, 4, 5 и 6. (фиг.7), необходимо установить дополнительные шланги между цилиндрами и отверстиями, соединяющими цилиндры. Цилиндры, как и на фиг.3, соединены с помощью подводящих шлангов соответственно 11, 12, 13, 14 с трубопроводом 1. Помимо этого цилиндр 7 соединен дополнительным шлангом 39 с трубопроводом 1 в том же месте, что и шланг 12. Цилиндр 13 соединен дополнительным шлангом 40 с трубопроводом в том же месте, что и шланг 11. В шлангах 11, 13, 39 и 40 установлены электроуправляемые запорные клапаны соответственно 41, 42, 43 и 44. При этом угол сдвига мгновенных давлений в переключаемых клапанах равен 360°/n, т.е. в данной четырехцилиндровой системе это 180°. При переключении клапанов 41 и 42 на 43 и 44 происходит изменение порядка чередования мгновенных давлений внутри трубопровода.
Для изменения направления движения бегущей волны в трубопроводе 1 в системе, состоящей из трех пар цилиндров, также производят переключение соответствующих клапанов. Для этого должны быть установлены дополнительные подводящие шланги 45 и 46 (фиг.8) между выходами цилиндров 15, 17 и дополнительные шланги 47 и 48 между цилиндрами 18, 20. Как видно из фигуры, цилиндр 15 соединен дополнительным шлангом 46 с трубопроводом 1 в том же месте, что и шланг 29. Цилиндр 29 соединен дополнительным шлангом 45 с трубопроводом в том же месте, что и шланг 27 цилиндра 17. Цилиндр 18 соединен дополнительным шлангом 47 с трубопроводом 1 в том же месте, что и шланг 32. Цилиндр 20 соединен дополнительным шлангом 44 с трубопроводом в том же месте, что и шланг 30. В шлангах 27, 29, 45 и 46, 30, 32, 47 и 48 установлены электроуправляемые запорные клапаны соответственно 49, 50, 51 и 52, 53, 54, 55 и 56. При переключении клапанов 49 и 50 на 51 и 52 и клапанов 53 и 54 на клапаны 55 и 56 происходит изменение порядка чередования мгновенных давлений внутри трубопровода 1 на обратный. При этом угол сдвига мгновенных давлений в переключаемых клапанах равен 360°/n, т.е. в данной шестицилиндровой системе это 120°.
i
i
12
m
Прямоточный движитель для водного транспорта действует следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршней в цилиндрах 3-6 (фиг.3) в трубопроводе 1 возникают знакопеременные гармонические колебания давлений со сдвигом по фазе φ=-180°(i-1)/n. Аналогичное явление будет происходить и при движении поршней в цилиндрах 15-20 (фиг.4). Эффект можно проследить на основе рассмотрения фиг.5 и фиг.6. Как видно из эпюры пространственного и временного изменения, мгновенные давления p (фиг.6) вдоль трубопровода проходят продольные волны повышенного (вершины треугольников обращены вверх), или пониженного давлений (вершины треугольников обращены вниз). Этот процесс после момента времени t повторяется. Рассматривая весь интервал времени, можно убедиться, что в результате вдоль трубопровода будут последовательно и равномерно перемещаться в одну сторону повторяющиеся волны. Следовательно, по трубопроводу 1 будет непрерывно перемещаться водяной поток, направление которого зависит от последовательности работы цилиндров. Амплитуда волн равна максимальному давлению P. Эти волны будут затягивать текучую среду и перемещать ее в данном случае слева направо. Скорость движения волны определяется уравнением: V=2fτ.
Аналогично будет действовать и система с двумя парами цилиндров, представленная на фиг.3.
Третий закон Ньютона утверждает, что сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. В соответствии с этим законом, если в трубопроводе с помощью цилиндров формируется поток воды, то на цилиндры будет действовать сила, противоположная по знаку и пропорциональная массе протекающей воды. От цилиндров эта сила передается корпусу, вынуждая судно перемещаться в сторону, противоположную движению жидкости. Этот процесс физически идентичен формированию бегущей магнитной волны в линейном асинхронном электродвигателе (ЛАД). Последний применяется для перекачки жидких металлов. Разница в том, что бегущее магнитное поле ЛАД не имеет массы и для его проявления необходимо использовать вторичное тело. В прямоточном же движителе формируется бегущее силовое поле непосредственно в текучей среде, обладающей массой.
Регулировать скорость V движения текучей среды можно изменением частоты f колебаний поршней в цилиндрах.
Для реверсирования текучей среды в трубопроводе 1 необходимо изменить чередование работы поршней. Это изменение чередования производится и следующим образом. При прямом движении текучей среды (справа налево) в четырехцилиндровой конструкции должны быть открыты клапаны 41, 42 (фиг.7). Для изменения направления движения текучей среды необходимо открыть клапаны 43, 44 и затем закрыть клапаны 41 и 42.
Аналогичная картина будет иметь место и при работе шести насосов, показанных на фиг.8. При прямом движении текучей среды (справа налево) должны быть открыты клапаны 49, 50, 53 и 54. Для изменения направления движения текучей среды необходимо открыть клапаны 51, 52, 55 и 56 и затем закрыть клапаны 49, 50, 53 и 54. При этом практически отсутствует инерция. Для реверса нет необходимости воздействовать на силовую установку. Производя изменение направления движения текучей среды в одном из трубопроводов, можно обеспечить различные маневры судна, в том числе и повороты на одном месте.
Движитель легко защищается от попадания в него посторонних предметов за счет установки на входе трубопровода защитных решеток. Решетки можно поставить и на входе подводящих шлангов.
Пример применения. Требуется получить скорость движения воды V=100 км/час (28 м/с). Полюсное деление принимаем равным τ=2,5 м. Из формулы V=2fτ получаем, что частота возвратно-поступательных гармонических сил, прикладываемых к отверстиям, должна равняться f=5,6 Гц. При этом частота перемещения штоков в цилиндрах будет соответствовать той же частоте - 5,6 Гц.
ср
ср
Σ
Среднее расстоянием L между отверстиями определяется из соотношения L=τ/m=2,5/3=083 м, где m=3 - число фаз системы. Суммарная длина системы привода составит L=2,5×1,5=3,75 м.
Достоинствами предложенного технического решения являются:
- широкая возможность регулирования скорости перемещения текучей среды изменением частоты колебаний поршней в цилиндрах;
- возможность реверсирования потока текучей среды без изменения направления движения приводного двигателя;
- простота исполнения;
- исключены поломки в механической системе, обеспечивающей поток текучей среды, так как в отверстия трубопровода можно поставить ограждающие решетки, препятствующие попаданию крупных твердых предметов;
- повышен КПД системы, так как отсутствует вращательное перемешивание текучей среды и сокращены потери на трение;
- безинерционность.