СУДОВОЙ ВОЛНОВОЙ ДВИЖИТЕЛЬ
MARINE WAVE-DRIVEN PROPULSOR

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым движителям, использующим энергию волн.
Известны устройства, использующие качку, для передвижения судов с применением поворотных плавников (крыльев), установленных на осях, конструкция которых описана в изобретении СССР №47562, опубликованном в 1936 г.
Недостатком судовых волновых движителей является то, что работа крыльев не эффективна из-за отсутствия, во-первых, взаимосвязи между скоростью судна и амплитудно-частотной характеристикой крыльев и, во-вторых, соотношения между габаритами судна и размерами крыльев.
Для повышения эффективности волновых движителей необходимо, чтобы поверхности их крыльев соответствовали винтовым поверхностям с центром на диаметральной плоскости корпуса судна, а лучше - совпадали с центром тяжести судна. В этом случае крылья волновых движителей будут иметь характеристики, аналогичные лопастям гребных винтов, а корпус судна будет аналогом его ступицы. Повышение эффективности произойдет за счет оптимального обтекания крыльев гидродинамическим потоком, рассчитанным на основе теории гребных винтов и выполненным с учетом амплитудно-частотной характеристикой колебания лопастей.
<mrow><mfrac><mi>π</mi><mn>6</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>5</mn><mi>π</mi></mrow><mn>6</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>7</mn><mi>π</mi></mrow><mn>6</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>11</mn><mi>π</mi></mrow><mn>6</mn></mfrac></mrow>
На фиг.1 показан схематично главный вид корпуса судна и перемещение сечения крыла относительно воды при обращенном движении: судно остановлено, а вода движется. На фиг.2 - вид сверху на судно с лопастями, состоящими, например, из двух секций каждая. На фиг.3 - разрез по А-А с обозначением угла крена. На фиг.4 - разрез по Б-Б. На фиг.5,а - обтекание сечения лопасти при фазах колебания ψ от
до
. На фиг.5,б - обтекание сечения при фазах ψ от
до
.
На чертежах обозначено:
1 - корпус судна; 2 - полуось; 3 - фланец полуоси; 4 - лопасть; 5 подшипник; 6 - шпилька; 7 - фторопластовое кольцо; 8 - жесткий контур лопасти; 9 - поверхность лопасти.
В - ширина корпуса судна;
ВЛ - прямая ватерлиния;
1
1
ВЛ - наклонная ватерлиния;
в - ширина элемента лопасти;
ℓ - длина элемента лопасти;
r - расстояние до винтовой линии от оси вращения (центра тяжести);
R - наибольший радиус лопастей;
D - диаметр (размах) лопастей;
H - шаг винтовой линии;
p
h - поступь волнового движителя; угол качки корпуса судна;
φ - шаговый угол;
θ - угол качки корпуса судна;
ψ - фаза колебания лопасти;
α - угол атаки;
β - угол поступи;
o
ω - круговая частота гармонических колебаний бортовой качки;
ε - скорость колебаний бортовой качки;
o
τ - период колебаний;
p
V - скорость судна.
Судно с волновым движителем имеет корпус 1, к которому фланцами 3 прикреплены две полуоси 2. На полуоси устанавливаются лопасти 4, состоящие из отдельных элементов в виде жестких (стальных) контуров 8 и упругой середины 9, выполненной, например, из вулканизированной резины (см. фиг.2, 3). К контурам приварены втулки 5 с фторопластовыми кольцами 7 (см. фиг.4), выполняющими роль подшипников скольжения на полуосях. В подшипниках имеются пазы, в которых находятся упорные шпильки 6, ввернутые в полуоси так, чтобы элементы лопастей в одном из крайних положений образовали винтообразную поверхность с шаговым углом φ, как у правых гребных винтов, и возможным углом поворота γ=180-2φ в другое положение, образуя винтообразную поверхность, как у левых гребных винтов.
Конструкции ограничителей движения лопастей известны, например, в изобретении СССР №1799812. Недостатком ограничителей являются их габариты, соизмеримые с лопастями, что приводит к дополнительным гидравлическим сопротивлениям. Упорные шпильки не выступают за габариты подшипников и не влияют на величину сопротивлений.
o
o
o
o
o
o
o
o
Известно, что корпус судна на волнении совершает гармонические колебания по косинусоиде θ=θcos(ωt+ψ), период которых равен τ=2π/w, а угловая скорость ε=θωsin(ωt+ψ)(см. В.А.Лесюков Теория и устройство судов внутреннего плавания. М.: 1982 г., стр.113, строчка 12 снизу), где θ - начальный угол крена.
o
Колебания корпуса судна передаются лопастям, которые выполнены по винтовым поверхностям и обладают геометрическими характеристиками гребных винтов: шагом H и шаговым углом tgφ=H/4θr.
p
o
p
o
p
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mi>o</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>V</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
При качке судна все сечения лопастей по радиусу r участвуют в двух движениях: перемещаются вместе с судном со скоростью V относительно воды и колеблются с периодом τ. Траектория одного из сечений, перемещающегося по косинусоиде в зависимости от фазы (от 0 до 2π), показана на фиг.1. Соотношение между скоростью V и периодом τ определяет поступь h и представляет собой перемещение судна за время, соответствующее одному колебанию
.
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>V</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mi>∞</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>V</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mi>∞</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>p</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>r</mi><msub><mi>θ</mi><mi>o</mi></msub><msub><mi>ω</mi><mi>o</mi></msub><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>o</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>ψ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>V</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mi>∞</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>β</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><mi>r</mi><msub><mi>θ</mi><mi>o</mi></msub><msub><mi>ω</mi><mi>o</mi></msub><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>o</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>ψ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
p
Сечение лопасти, расположенное на винтовой линии радиуса r, перемещается в абсолютном движении со скоростью
(см. Фиг.5,а и 5,б), равной геометрической сумме скоростей судна V и скорости колебаний rε, то есть
, а направление
определяется углом поступи, который находится из выражения
.
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>p</mi><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mi>H</mi><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
Скорость судна при работе волнового движителя в воде равна
, а при движении в твердой среде могла бы быть больше
.
<mrow><msub><mrow><munder accentunder="true"><mi>V</mi><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mi>∞</mi></msub></mrow>
В результате этого между направлением скорости
и хордой профиля сечения лопасти радиуса r образуется угол α, равный α=φ-β.
Следовательно, каждое сечение лопасти волнового движителя можно рассматривать как элемент несущего крыла, движущегося с углом атаки α.
В предлагаемой конструкции шаговый угол φ является величиной постоянной для каждого элемента лопасти, а угол поступи β - переменной, функционально зависимой от фазы ψ.
<mrow><mo>−</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>6</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mo>+</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>6</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>π</mi><mn>6</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>5</mn><mi>π</mi></mrow><mn>6</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>5</mn><mi>π</mi></mrow><mn>6</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>7</mn><mi>π</mi></mrow><mn>6</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>7</mn><mi>π</mi></mrow><mn>6</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>11</mn><mi>π</mi></mrow><mn>6</mn></mfrac></mrow>
Анализ приведенных выше формул показал, что в интервале фазы ψ от
до
угол β больше угла φ, т.е. угол атаки α отрицательный, что означает: этот интервал нерабочий, а интервал поворота лопасти, который отмечен на фиг.1 заштрихованным участком косинусоиды. В интервале фазы от
до
угол β меньше угла φ, т.е. угол атаки положительный, значит, интервал - рабочий (см. фиг 5,a). Интервал от
до
нерабочий - интервал поворота, который также заштрихован на фиг.1. Интервал от
до
- рабочий (см. фиг.5,б).
В рабочем интервале подъемная сила крыла лопасти через подшипник и упор (см. фиг.4) передается полуоси и корпусу судна. В нерабочем интервале происходят потери на поворот лопастей, величина которых увеличивается при выходе сечения лопасти за границу гармоники, т.е. косинусоиды.
Поэтому ширина лопасти в должна быть ограничена пределами
o
в=(0,2-0,35)rtgθ.
Учитывая, что при сборке лопастей из отдельных секций происходят дискретные колебания шаговых углов по их длине, что отражается на углах атаки α, поэтому рекомендуется ограничить длину секций ℓпределами ℓ=(0,5-3)в. Как показано на фиг.2, что с увеличением радиуса r растет ширина лопасти в и размах лопастей D, в несколько раз превышающий ширину судна, что позволяет развить достаточный упор для преодоления сопротивления.
В отличии от гребных винтов делать лопасти волновых движителей из твердых материалов (стали, бронзы) не рекомендуется, т.к. после поворота лопасти происходит смена сторон, напорной на засасывающую, что в одной рабочей зоне обеспечивает нормальный упор, а в другой - пониженный. Изготовление секций лопастей с жестким контуром и упругой серединой является более предпочтительным, т.к. в напорной стороне образуется вогнутость, а в засасывающей - выпуклость, что является сегментным профилем крыла, обеспечивающим повышенный упор при любом рабочем движении.
При отсутствии волнения (штиль) волновые движители не работают, поэтому для передвижения судна необходимо его раскачивать, что для малых судов выполнимо силами экипажа, а для больших нужны специальные механизмы, приводящие лопасти в движение.