СУДОВОЙ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДВИЖИТЕЛЬ
MARINE HYDROMECHANICAL PROPULSOR

Изобретение относится к области судостроения, в частности к производству движительных устройств, как морских, так и речных судов.
Классическим вариантом судового движителя являются гребные винты и рули, установленные следом за гребным винтом. На современных судах принято устанавливать по два двигателя и два винта. Несмотря на широкое распространение в судостроении этот тип движителей имеет ряд существенных недостатков. Самым главным из них является низкий коэффициент полезного действия, который в усредненном варианте исчисляется в пределах 54-66% (Ленинградский кораблестроительный институт, О.В.Дубровин, М.М.Жученко, «Расчеты ходкости судов, ч. 3., Судовые движители» стр.13, 2 абзац). Авторы книги называют и три других недостатка винтов: выступающие части отнимают часть мощности двигателей; винты фиксированного шага не реализуют полной мощности двигателей на разных режимах движения; на малых скоростях хода судно плохо подчиняется рулям.
В качестве варианта устройства движителей авторы приводят расчет водометных движителей, анализируя их достоинства и недостатки (стр.17. Рис.15). К.п.д. этих устройств и того ниже  (0,32-0,3).
1
2
1
2
Проанализируем, с позиций предмета физики, работу этих движителей. Мощность судового двигателя в обоих случаях расходуется на взаимодействие винта с водой, за счет которого гребной винт, захватывая своими лопастями воду, сообщает ей определенное ускорение движения, с силой F=mа, «Физика», В.Б.Федосеев, учебник для студентов…, Ростов на Дону «Феникс» 2009 г., стр.32 (1.26), где F - сила, m - масса воды, захватываемой лопастями, а - ускорение, сообщаемое воде. По третьему закону Ньютона такая же по величине и обратная по знаку сила действует на судно, заставляя судно двигаться. Вместе с тем между гребным винтом, а с ним судном, и водой непрерывно продолжается обмен импульсами движения (стр.48, третий абзац), который записывается как Р=mV (стр.46). По закону сохранения импульса импульс движения, который приобретает судно от такого взаимодействия, равен импульсу движения, приобретаемому водой. Таким образом, при неизменности Р=const, можно записать: MV=mV, где М - масса судна, V - скорость судна, m - масса воды, отбрасываемой винтом, V - скорость воды за винтом. Поскольку масса судна несопоставимо больше массы воды, поэтому при таком обмене импульсами движения вода отбрасывается от гребного винта в обратную от направления движения судна сторону и уносит с собой кинетическую энергию
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><msubsup><mi>V</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mtext>       </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
где К - кинетическая энергия воды, m - масса воды, V - скорость воды за винтом (стр.56, 1.43). Вот с этой кинетической энергией воды уносится полезная мощность судовых двигателей, которая могла бы превратиться в энергию движения судна, если бы масса воды, с которой взаимодействуют винты, была близка к массе судна. Однако при любых размерах винта довести массу воды, с которой винт обменивается импульсами движения, до таких величин невозможно.
В 19 веке предпринималась попытка заключить гребной винт в кожух или трубу и этим увеличить массу взаимодействующей с винтом воды. Этот эксперимент связывают с именем англичанина Ф.А.Брикса и утверждают, что применение таких кожухов не может дать положительного эффекта. Вместе с тем водометные движители, которые анализируются специалистами Ленинградского кораблестроительного института (ссылка дана выше) - это та же разновидность винта, помещенного в кожух или трубу. Проанализируем методом гидродинамики действие такого движителя.
Гидродинамика спокойное, т.е. установившееся движение воды в трубе, рассматривает как ламинарное течение (Физика, стр.112-113), для которого характерно послойное движение воды в трубе, при котором слои воды, прилегающие к стенкам трубы, рассматриваются как неподвижные, а максимальная скорость потока воды приходится в соответствии с формулой Пуазейля:
<mrow><mi>V</mi><mi>max</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mn>2</mn><mtext> </mtext></mrow></msub></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>η</mi><mi>L</mi></mrow></mfrac><mo>×</mo><msup><mtext>R</mtext><mtext>2</mtext></msup><mtext>                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где R - радиус трубы, V - скорость воды, η - коэффициент вязкости воды, L - длина трубы, при r=0, где r - радиус минимального кольцевого слоя вдоль центральной оси трубы.
Вторая формула Пуазейля описывает объемный расход воды через круглую трубу при ламинарном течении:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><msup><mi>R</mi><mn>4</mn></msup></mrow><mrow><mn>8</mn><mi>η</mi></mrow></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>P</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mi>L</mi></mfrac><mtext>                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
где Q - объемный расход воды, R - радиус трубы, P и Р - давление на входе в трубу и на выходе из трубы, L - длина трубы, η - коэффициент вязкости воды. Здесь мы видим, что пропускная способность трубы при заданной разнице давлений на входе и выходе из трубы возрастает в четвертой степени от первоначальной, за счет увеличения радиуса трубы и только в линейной зависимости находится от длины трубы, т.е. при увеличении диаметра трубы в два раза ее пропускная способность возрастает в 16 раз. Из этого следует, что наличие кожуха вокруг движителя не может быть причиной отсутствия положительного эффекта.
Задачами изобретения являются: 1 - повышение коэффициента полезного действия движителя; 2 - обеспечение свободного реверсирования движения без остановки и переключения двигателей на обратный ход, без потерь энергии двигателей в редукторах при движении  прямо.
На основании (3) предлагается следующая конструкция судового гидромеханического движителя. Обратимся к фиг.  1. Здесь: 1 - корпус судна, 2 - ходовая турбина (их предлагается установить две вдоль вертикальной плоскости горизонтальной оси судна), 3 - направляющие блоки (по два с каждой турбиной), 4 - приводной вал турбины, 5 - задняя опора вала, 6 - ходовые рули, 7 - несущая палуба, 8-9 - защитные сетки на входе и выходе из турбин, 10 - воздушная камера под движителем, с функцией поплавка для балансирования тяжелой кормовой части, 11 - водозаборники вдоль боковых обводов кормовой части судна, 12 - обтекатели. Назначение водозаборников - увеличить массу воды, участвующую в обмене импульсами движения.
В современном судостроении наметилась тенденция постройки судов без передающих редукторов, в которых рабочий вал ходового двигателя напрямую, без всяких промежуточных редукторов, соединяется с ходовым винтом. В приведенной книге Ленинградских судостроителей приводится информация, что промежуточные редукторы на приводе ходовых винтов лишь на одном этапе преобразования частоты вращения сразу же понижают к.п.д. передачи на 2%. При этом там дается информация о том, что при понижении частоты вращения ходового винта возрастает к.п.д. движителя. Показатель к.п.д. водометных движителей еще раз подтверждает, что эффективность работы движителя напрямую связана со скоростью, с которой вода отбрасывается гребным винтом. С одной стороны, на основании второго закона Ньютона, чем выше ускорение, сообщаемое винтом воде, тем выше сила взаимодействия винта с водой, тем больше сила, движущая судно. Однако на основании (1), чем выше эта скорость, тем выше потери энергии двигателя.
В предлагаемой конструкции движителя эта проблема не будет существенно влиять на потери энергии с кинетической энергией воды, поскольку масса воды здесь в десятки раз возрастет по сравнению с открытым гребным винтом и скорость протока воды через турбинный блок не будет определять эти потери напрямую. Здесь достаточно подобрать такую частоту вращения ходовых турбин, чтобы не происходило бессмысленного перемалывания воды, а конечная скорость протока воды через турбинные блоки была близка к скорости движения судна, вот тогда закон сохранения импульса обеспечит экономную работу движителя.
При всех недостатках в передаче движения от двигателей на гребные винты жесткая связь двигателей с винтами сопряжена с целым рядом трудностей; для реверсирования движения на судне останавливают двигатели, переключают их на обратный ход и запускают в другую сторону вращения. Предлагается техническое решение, которое устранит эти проблемы. Для этой цели между двигателем и винтом, или в данном случае турбинным блоком, может быть установлен дифференциальный реверс-редуктор. В основе такого редуктора может быть использовано техническое решение, применяемое в автомобилях при передаче вращения ведущим колесам. Известно, что на автомобиле через дифференциал ведущие колеса могут не только вращаться с разными скоростями, но, при затормаживании ручным тормозом, колеса могут вращаться в противоположные стороны.
Обратимся к фиг.2. Здесь 13 - корпус редуктора, 14 - вал от двигателя, 15 - вал к ходовой турбине, 16 - шестерни валов, 17 - сателлиты, 18 - оси сателлитов, 19 - опорные подшипники реверс-редуктора, 20 - игольчатые подшипники опоры валов, 21 - тормозная лента блокировки вращения редуктора, 22 - фрикционные накладки тормозной ленты, 23 - основание крепления редуктора, 24 - муфта блокировки вала от двигателя, 25 - рычаг управления муфтой блокировки вала, 26 - кулачки блокировочной муфты вала (один корончатый венец выполнен на муфте, второй венец выполнен на торце ступицы корпуса реверс-редуктора), 27 - шлицевой венец на валу от двигателя и блокировочной муфте, 28 - механизм управления тормозным барабаном.
Из фиг.  2 видно, что реверс-редуктор представляет собой компактный механизм, опирающийся через подшипники - 19 на основание - 23 и вращается на них как единая деталь. При прямом движении судна внутренние шестерни редуктора неподвижно относительно друг друга вращаются вместе с корпусом. Неподвижность шестерен обеспечивается блокировкой вала, идущего от двигателя, муфтой - 24, через шлицевой венец - 27 и торцевые, корончатые кулачки - 26. В этом состоянии механизма блокировочная муфта фиксирует внутренние шестерни редуктора и усилие вращения от двигателя жестко передается через неподвижные на своих осях сателлиты на шестерню и вал привода ходовой турбины. Для реверсирования движения судна не нужно останавливать двигатель и запускать его в другую сторону вращения, достаточно в момент снижения частоты вращения коленвала двигателя, когда снимается нагрузка на корончатые кулачки муфты блокировки, рычагом - 25 выключить муфту - 24, т.е. разъединить муфту - 24 с корончатыми кулачками корпуса редуктора и затянуть тормозную ленту - 21. Остановка корпуса реверс-редуктора заставит сателлиты - 17 проворачиваться относительно теперь уже неподвижных осей - 18, которые своим вращением приведут движение шестерни вала привода турбинного блока в противоположную сторону. Для возврата к движению в прежнем направлении достаточно растормозить ленту тормозного механизма и, подобрав частоту вращения коленчатого вала двигателя, заблокировать муфту - 24.
Таким образом, можно будет управлять движением судна, не прибегая к остановкам двигателя, и легко комбинировать реверсивное движение одной ходовой турбины с прямым вращением другой для маневрирования на месте. Легко предположить, что для маневра достаточно оба руля повернуть круто в одном направлении, но тогда этот маневр приведет к повороту судна в движении, а реверсивная работа ходовых турбин обеспечит управление на месте, возле причала, и т.д. Применение такого редуктора не приведет к снижению к.п.д. всей передачи в целом, поскольку при движении прямо механизм редуктора не работает, а лишь вращается как одна деталь.
Сущность изобретения заключается в следующем: судовой гидромеханический движитель, отличающийся тем, что для повышения коэффициента полезного действия выполнен в виде одного или двух ходовых турбинных блоков в кормовой части судна, состоящих из ходовых турбин, размещенных на ходовых валах и двух, передних и задних, направляющих с обтекателями, вместе закрепленных в цилиндрических корпусах, установленных под дополнительной несущей палубой. Эти цилиндрические корпусы в передней части по бокам судна имеют раструбы, охватывающие сужающиеся боковые обводы кормовой части судна, заключающие в себе вместе с цилиндрическими корпусами объем воды, сопоставимый с массой корабля, при этом ходовые валы имеет вторую точку опоры на раскосах задней части движителя и на этих же раскосах крепятся ходовые рули. При двухтурбинном движителе между турбинами и ниже их выполняется пустотелая камера-поплавок, а боковые раструбы и задняя часть движителя имеют защитные сетки от попадания в турбинный блок льда и других механических предметов. Для обеспечения реверсивного привода ходовых турбинных блоков без остановки и переключения двигателей на обратный ход движитель выполнен так, что на валах, передающих вращение от двигателя на ходовые турбины, устанавливаются дифференциальные реверс-редукторы, которые могут быть как цилиндрическими, так и коническими, отличающиеся тем, что корпусы редукторов выполнены с тормозными механизмами вокруг цилиндрических тормозных барабанов, каковыми и являются корпусы, а на одном из полувалов, идущих к двигателю или ходовым турбинам, выполняется муфта блокировки, имеющая шлицевые венцы на полувалах и корончатые кулачковые венцы на муфтах и торцах ступиц корпуса реверс-редуктора.
В школьном учебнике физики А.В.Перышкина (учпедгиз, 1969 г., ч. 2) приводится информация, что напорные гидротурбины в системе гидроэнергетики работают с к.п.д. более 90%. Предлагаемый движитель, в силу необходимости реверсирования движения корабля, должен одинаково успешно двигать судно в обоих направлениях, поэтому ходовая турбина здесь должна быть выполнена с симметричными лопастями, при этом здесь не будет никакой необходимости в изменении шага лопастей и угла атаки, кроме того, наличие направляющих блоков должно максимально снижать эффект турбуленции в движении воды через движитель, а по эффективности работы такой движитель будет близок к к.п.д. напорных гидротурбин. Судно с таким движителем в морских просторах будет двигаться, как гидравлическая ракета. Разгон судна до крейсерской скорости будет протекать гораздо быстрее обычного и гораздо экономнее.
Технология изготовления устройства по заявленному изобретению не потребует больших доработок имеющихся технологий производства.