Аэродинамическое судно
AERODYNAMIC VESSEL

Настоящее изобретение относится к области судостроения и может найти применение в качестве аэродинамического судна.
Известно судно, содержащее корпус с водительским отделением, установленный на поплавки, внутри которого расположен двигатель с муфтой сцепления, механически соединенный с несущими винтами самолетного типа большого диаметра, установленными по два спереди и сзади под углом 25 градусов к корпусу.
/Авт. свид. СССР №312788, 1971/.
Недостатками известного судна являются большая энерговооруженность, повышенная опасность при эксплуатации, большие переменные нагрузки на лопасти винтов, работающих на границе двух сред, небольшая высота подъема корпуса судна над поверхностью воды.
Указанные недостатки обусловлены конструкцией судна.
Известно также судно, содержащее корпус с продольными боковыми отсеками, закрытыми сверху и снизу решетками, в которых размещены движители вертикального подъема. Главный двигатель размещен в передней части корпуса и кинематически связан с движителями вертикального подъема. Маршевый двигатель расположен в задней части корпуса и кинематически связан с движителями горизонтального перемещения. Судно имеет систему путевого управления и систему управления устойчивостью движения в пространстве. Движители вертикального подъема одинаковы по конструкции и каждый из них содержит круглый корпус, внутри которого на подшипниках установлен ротор, представляющий собой тело вращения, состоящее из трех частей, выполненных как одно целое и отделенных друг от друга тонкими дисками.
/Патент РФ №2538484, опубл. 10.01.15 Бюл. № 1/.
Известное аэродинамическое судно по патенту РФ №2538484, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому полезному результату, принято за прототип.
Недостатками аэродинамического судна по патенту РФ №2538484, принятого за прототип, являются: большой вес судна, сложность конструкции, большой вес и размеры движителей вертикального подъема.
Указанные недостатки обусловлены применением двух двигателей и конструкцией движителей вертикального подъема.
Задачей настоящего изобретения является повышение технических характеристик аэродинамического судна.
Технический результат обеспечивается тем, что в аэродинамическом судне, содержащем корпус с водительским и пассажирским отделениями, имеющем продольные боковые отсеки, закрытые сверху и снизу решетками, в которых размещены движители вертикального подъема, двигатель через муфту сцепления посредством карданных валов, редукторов, двойных конических дифференциалов поперечного и продольного наклона соединен с движителями вертикального подъема, причем тормоза обоих дифференциалов кинематически связаны с ручкой управления положением корпуса судна в пространстве, маршевые движители продольного перемещения через редукторы и вариатор соединены с двигателем, водовоздушные рули, установленные за маршевыми движителями, кинематически связаны с педалями путевого управления, механизмы управления, согласно изобретению крутящийся момент от двигателя карданным валом передается на главный редуктор, а с него карданными валами на двойные конические дифференциалы поперечного и продольного наклона и на ведущий вал зубчатого вариатора, ведомый вал которого кинематически связан с движителями продольного перемещения, причем зубчатый вариатор содержит корпус, закрытый крышкой, внутри которого на подшипниках установлен ведомый вал с ведомой конической шестерней, которая имеет зубья, параллельные друг другу, разные по длине, одинаковые по ширине и расстоянию между ними, каждый из которых выполнен под углом к продольной вертикальной плоскости, проходящей через центр вращения ведомой конической шестерни и зависящим от ее длины и соотношения наименьшего и наибольшего диаметров, входящая в постоянное зацепление с цилиндрической ведущей шестерней, причем ведомая коническая шестерня условно разделена вертикальными поперечными плоскостями на несколько предельных частей, длина каждой из которых равна ширине ведущей цилиндрической шестерни, причем в каждой последующей части от меньшего диаметра к большему количество зубьев возрастает, а соотношение ширины ведущей цилиндрической шестерни к длине ведомой конической шестерни равно 1:10, причем управление, зубчатым вариатором осуществляется двумя гидравлическими кранами, входящими в гидравлическую систему, содержащую исполнительный гидроцилиндр одностороннего действия с пружиной, масляный насос, приводимый в движение от ведущего вала, масляный бак, связанные друг с другом трубопроводами и установленные в корпусе зубчатого вариатора, кроме того, на верхнем и нижнем вертикальных ведомых валах каждого из движителей вертикального подъема закреплены роторы, каждый из которых содержит верхнюю и нижнюю цилиндрические части, между которыми размещена коническая часть, соединенная своим основанием с верхней цилиндрической частью, а своей усеченной вершиной с нижней цилиндрической частью, имеющей на нижней торцевой части цилиндрическое углубление, в которое вставлен и закреплен болтами цилиндрический диск с центральным отверстием и лопастями вентилятора, выполненного заодно с ним, кроме того, на торцевой поверхности верхней цилиндрической части ротора выполнено цилиндрическое углубление, на дне которого просверлены двойные радиальные ряды вертикальных отверстий, расположенных на равном расстоянии друг от друга, при этом каждый ряд вертикальных отверстий соединен с соответствующим горизонтальным радиальным каналом, выполненным в теле верхней цилиндрической части, закрытым со стороны оси вращения и открытым с боковой стороны верхней цилиндрической части ротора, причем каждый горизонтальный радиальный канал своим открытым концом соединен с всасывающей камерой инжекторного насоса, закрепленного на боковой поверхности верхней цилиндрической части ротора, причем воздухозаборник каждого из инжекторных насосов повернут в направлении вращения ротора, кроме того, на конической части ротора выполнены по окружностям в два ряда, один над другим, на равном расстоянии друг от друга вертикальные каналы прямоугольного сечения, каждый из которых имеет снизу впускное отверстие, в верхней боковой части которого закреплена направляющая лопатка, установленная под углом к направлению вращения ротора, а в нижней внутренней части корпуса движителя вертикального подъема установлен спрямляющий аппарат.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фигуре 1 изображен общий вид аэродинамического судна;
на фигуре 2 - вид спереди с частичным разрезом;
на фигуре 3 - схема привода маршевых движителей продольного перемещения;
на фигуре 4 - схема привода движителей вертикального подъема;
на фигуре 5 - устройство главного редуктора в разрезе;
на фигуре 6 - устройство двойного конического дифференциала;
на фигуре 7 - устройство трехвального редуктора;
на фигуре 8 - общий вид движителя вертикального подъема;
на фигуре 9 - вид сверху на движитель вертикального подъема;
на фигуре 10 - продольный разрез движителя вертикального подъема;
на фигуре 11 - устройство редуктора движителя вертикального подъема в разрезе;
на фигуре 12 - вид на ротор движителя вертикального подъема сверху;
на фигуре 13 - вид снизу на цилиндрический диск ротора;
на фигуре 14 - вид на ротор движителя вертикального подъема с частичным разрезом;
на фигуре. 15 - разрез по А-А фигуры 14;
на фигуре 16 - разрез по Б-Б фигуры 14;
на фигуре 17 - разрез по В-В фигуры 14;
на фигуре; 18 - разрез по Г-Г фигуры 14;
на фигуре 19 - схема создания подъемной силы на роторе движителя вертикального подъема;
на фигуре 20 - общий вид зубчатого вариатора;
на фигуре 21 - расположение механизмов и узлов внутри корпуса вариатора;
на фигуре 22 - устройство ведомой конической шестерни;
на фигуре 23 - ведущая цилиндрическая шестерня вариатора в разрезе;
на фигуре 24 - гидравлическая система управления вариатором;
на фигуре 25 - устройство системы управления аэродинамическим судном в пространстве;
на фигуре 26 - устройство системы путевого управления аэродинамическим судном;
на фигуре 22 - схема движения аэродинамического судна над поверхностью водоема;
на фигуре 28 - схема набора высоты аэродинамическим судном;
на фигуре 29 - схема снижения аэродинамического судна;
на фигуре 30 - схема создания крена на правый борт;
на фигуре 31 - схема создания крена на левый борт.
Аэродинамическое судно содержит корпус 1 с водительским и пассажирским отделениями. По бокам корпуса выполнены продольные отсеки 2, имеющие сверху и снизу решетки 3 для прохода воздуха. Внутри продольных отсеков закреплены движители вертикального подъема 4, 5, 6, 7, 8, 9. Двигатель 10 с муфтой сцепления 11 карданным валом 12 через главный редуктор 13 карданными валами 14, 15 соединен с двойными коническими дифференциалами продольного 16 и поперечного 17 наклона, полуоси которых через передний 18 и задний 19 трехвальные редукторы карданными валами 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 соединены с движителями вертикального подъема. В задней части корпуса судна установлены движители горизонтального перемещения, содержащие воздушные винты изменяемого шага 28, размещенные в кольцах 29, которые через редуктор 30, зубчатый вариатор 31, карданные валы 32, 33 соединены с одним из ведомых валов главного редуктора. Каждый движитель вертикального подъема содержит цилиндрический вертикальный корпус 34, к наружной поверхности которого привернуты шейки 35 для крепления корпуса. Внутри корпуса в его средней части установлен редуктор 36, закрепленный на кронштейнах 37, имеющий корпус 38, закрытый верхней 39 и нижней 40 крышками, ведущий вал 41, пропущенный через отверстие одной из шеек, на котором закреплена ведущая шестерня 42, входящая в зацепление с ведомыми шестернями 43, 44, закрепленными на верхнем 45 и нижнем 46 ведомых вертикальных валах, свободные концы которых закреплены в подшипниках 47, которые посредством кронштейнов 48 привернуты к корпусу. На верхнем и нижнем вертикальных валах установлено по одному ротору 49, выполненному из легкого и прочного материала, каждый из которых содержит верхнюю 50 и нижнюю цилиндрические части, между которыми размещена коническая часть 51, соединенная своим основанием с верхней цилиндрической частью, а своей усеченной вершиной с нижней цилиндрической частью 52. На торце нижней цилиндрической части выполнено цилиндрическое углубление 53, в которое вставлен и закреплен цилиндрический диск 54 с центральным отверстием и лопастями 55 вентилятора, выполненными заодно с ним и наклоненными под углом, зависящим от направления вращения ротора. На торцевой поверхности верхней цилиндрической части ротора выполнено цилиндрическое углубление 56, на дне 57 которого просверлены двойные радиальные ряды вертикальных отверстий 58, расположенных на равном расстоянии друг от друга. На равном расстоянии друг от друга расположены и ряды вертикальных отверстий. Каждый ряд вертикальных отверстий соединен с соответствующим горизонтальным радиальным каналом 59, выполненным в теле верхней цилиндрической части, закрытым со стороны оси вращения и открытым с боковой стороны верхней цилиндрической части ротора. Каждый горизонтальный радиальный канал своим открытым концом соединен с всасывающей камерой 60 инжекторного насоса 61, закрепленного на боковой поверхности верхней цилиндрической части ротора. Воздухозаборник 62 каждого из инжекторных насосов повернут в направлении вращения ротора. На конической части ротора выполнены по окружностям в два ряда, один над другим, на равном расстоянии друг от друга, вертикальные каналы 63 прямоугольного сечения, каждый из которых имеет снизу впускное отверстие 64, а сверху дно 65, параллельное верхней торцевой поверхности верхней цилиндрической части. Справа на боковой части впускного отверстия закреплена направляющая лопатка 66, установленная под углом к направлению вращения ротора. Внутри нижней части корпуса движителя вертикального подъема установлен спрямляющий аппарат 67.
Зубчатый вариатор привода воздушных винтов имеет корпус 68, закрытый крышкой 69. Внутри корпуса на подшипниках установлен ведомый вал 70 с конической, ведомой шестерней 71, которая имеет зубья 72, параллельные друг другу, разные по длине, одинаковые по ширине и расстоянию между ними, каждый из которых выполнен под углом к продольной вертикальной плоскости, проходящей через центр вращения ведомой конической шестерни, и зависящий от ее длины и соотношения наименьшего и наибольшего диаметров, входящей в постоянное зацепление с цилиндрической ведущей шестерней 73, установленной на ведущем валу, состоящем из двух частей: внутренней 74 и наружной 75, связанных между собой шарниром равной угловой скорости 76. Цилиндрическая ведущая шестерня установлена с возможностью перемещения по внутреннему ведущему валу вдоль ведомой конической шестерни посредством вилки 77, вставленной в проточку 78, закрепленной на пластине 79, установленной в направляющих 80 и имеющей зубчатую рейку 81, входящую в зацепление с зубчатым сектором 82. Ведомая коническая шестерня условно разделена на несколько продольных частей  вертикальными поперечными плоскостями (фиг. 22), длина каждой из которых равна ширине ведущей цилиндрической шестерни. В каждой последующей части от меньшего диаметра к большему количество зубьев возрастает, а соотношение ширины ведущей цилиндрической шестерни к длине ведомой конической шестерни равно 1:10. Управление зубчатым вариатором осуществляется двумя гидравлическими кранами 83, 84, имеющими ручки управления 85, 86, входящими в гидравлическую систему, содержащую исполнительный гидроцилиндр одностороннего действия 87 с пружиной 88 и упором 89, который штоком 90 соединен с поршнем 91 и полукруглым зубчатым сектором, масляный насос 92 с редукционным клапаном 93, приводимый в движение от внутреннего ведущего вала, прикрепленный посредством кронштейна 94 к стенке корпуса, масляный бак 95, связанные друг с другом трубопроводами. В задней части корпуса судна за движителями горизонтального перемещения, установлены воздушные рули 96 и связанные с ними водные рули 97 (на чертежах не показано), которые посредством гидросистемы соединены с педалями путевого управления 98, которые установлены на неподвижной оси 99 и имеют рычаг 100. Гидросистема содержит масляный бак 101, масляный насос 102, два гидравлических крана 103, 104, золотники которых взаимодействуют с рычагом педалей путевого управления, гидроцилиндр 105, который посредством рычагов 106, 107 и тяги 108 соединен с рулями. Все агрегаты соединены между собой трубопроводами.
Гидравлическая система управления устойчивостью судна в полете содержит ручку управления 109, которая шарнирно установлена на валу 110, закрепленном в подшипниках и имеющим рычаг 111, шарнирно соединенный с продольной тягой 112, второй конец которой соединен с рычагом 113, имеющим тормоза 114, 115, взаимодействующие с тормозными барабанами 116, 117 двойного конического дифференциала продольного наклона. Ручка управления устойчивостью судна в полете установлена с возможностью поворота в продольном и поперечном направлениях в нижней части имеет полукруглый сектор 118, входящий в верхний паз каретки 119, установленной в подшипниках с возможностью перемещения вправо и влево и имеющей в нижней части паз, в который входит конец -образного рычага 120, закрепленного на оси, второй конец которого соединен посредством продольной тяги 121 с рычагом 122, имеющим тормоза, взаимодействующие с тормозными барабанами двойного конического дифференциала, поперечного наклона.
Главный редуктор содержит корпус 123, закрытый крышкой 124, в подшипниках которого закреплен ведущий вал 125 с ведущей шестерней 126, входящей в зацепление с ведомыми шестернями 127, 128, а последняя из них входит в зацепление с шестерней 129. Оба двойных конических дифференциала имеют одинаковое устройство и каждый из них содержит наружный корпус 130, закрытый крышками 131, 132. Внутренний корпус 133 имеет ведомую шестерню 134, входящую в зацепление с ведущей шестерней 135, закрепленной на ведущем валу 136. В подшипниках внутреннего корпуса установлены два сателлита 137, 138, большие шестерни которых входят в зацепление с шестернями 139, закрепленных на трубчатых валах 140, на вторых концах которых закреплены тормозные барабаны, взаимодействующие с тормозами. Малые шестерни сателлитов входят в зацепление с шестернями 141, закрепленными на полуосях 142. Корпуса дифференциалов заполнены маслом и тормозные барабаны с тормозами работают в масле. Что обеспечивает плавную регулировку частоты вращения полуосей и исключает возможность их остановки. Передний и задний трехвальные редукторы и редуктор привода воздушных винтов одинаковы по конструкции и каждый из них содержит корпус 143, закрытый крышкой 144, в подшипнике которой закреплен ведущий вал 145 с ведущей шестерней 146, входящей в зацепление с ведомыми шестернями 147, 148 закрепленными на ведомых валах 149, 150. На свободные концы валов надеты и закреплены фланцы 151.
Работа аэродинамического судна
1
2
3
После запуска и прогрева двигателя 10 и проверки работы всех систем аэродинамическое судно готово к движению. Вращающийся момент от двигателя 10 через муфту сцепления 11 посредством карданного вала 12, главный редуктор 13, карданные валы 14, 15, двойные конические дифференциалы поперечного 17 и продольного 16 наклона, передний 18 и задний 19 редукторы, карданные валы 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 передается на движители вертикального подъема 4, 5, 6, 7, 8, 9 левого и правого бортов. Роторы 49 приходят во вращение и создают подъемную силу F, которая уравновешивает силу веса судна P и поднимает его над поверхностью воды (фиг. 27). Все движители вертикального подъема 4, 5, 6, 7, 8, 9 работают одинаково. При вращении ведущего вала 41 редуктора 36 вращается ведущая коническая шестерня 42, которая, через ведомые конические шестерни 43, 44 приводит в движение верхний 45 и нижний 46 ведомые вертикальные валы, а вместе с ними верхний и нижний роторы 49 в противоположные стороны. Во время вращения ротора в направлении, указанном стрелкой на фигуре 19, воздушный поток обтекает гладкое дно 57 цилиндрического углубления 56 верхней цилиндрической части 50 с некоторой скоростью, создавая на нем силу разрежения F, направленную вверх. В это время во всасывающих камерах 60 инжекторных насосов 61 создается разрежение из-за увеличения скорости протекания через них воздуха, засасываемого воздухозаборниками 62. Воздушный поток, движущийся по гладкой поверхности дна 57 цилиндрического углубления 56, засасывается через вертикальные отверстия 58, передвигается через горизонтальные радиальные каналы 59 и выбрасывается во всасывающие камеры 60 инжекторных насосов 61. От этого скорость движения воздуха по дну 57 цилиндрического углубления 56 верхней цилиндрической части 50 ротора 49 увеличивается и возрастает разрежение, что ведет к повышению подъемной силы. На конической части 51 ротора направляющие лопатки 66 направляют воздушный поток через впускные отверстия 64 внутрь вертикальных/прямоугольных каналов 63, который поднимается вверх, производит давление на верхнее дно 65 с силой F, отражается от него и с силой выбрасывается наружу, создавая дополнительный реактивный момент F. В нижней части ротора воздушный поток непрерывно заполняет пространство между лопастями 55 (на фигуре 19 показано вертикальными стрелками), затем с силой F лопастями отбрасывается вниз, создавая реактивный момент. Возникшая от сложения всех сил, общая подъемная сила Fобщ уравновешивает вес Р движителя вертикального подъема и имеет еще значительный запас подъемной силы. Второй ротор работает также. При вращении роторов отбрасываемый воздушный поток кроме прямолинейного движения совершает еще и вращательное, что может уменьшить КПД движителя вертикального подъема. Для устранения этого воздушный поток направляется между пластинами спрямляющего аппарата 67, после чего выходит из сопла прямолинейным. Подъемная сила всех движителей вертикального подъема 4, 5, 6, 7, 8, 9 уравновешивает вес аэродинамического судна и поднимает его над поверхностью воды. Лопасти воздушных винтов 28 устанавливаются на необходимый угол для движения вперед и судно начинает горизонтальное перемещение. Путевое управление судна осуществляется ножными педалями 98. При нажатии на ту или иную педаль рычаг 100 нажимает на тот или иной золотник гидравлического крана 103 или 104. Масло от масляного насоса 102 поступает в соответствующую полость гидроцилиндра 105 и шток поворачивает рули 96 и 97 в нужную сторону. При движении аэродинамического судна часто возникает необходимость наклона корпуса в продольной и поперечной плоскостях. Поворачивая ручку управления 109 в продольном или поперечном направлении, через соответствующие тяги и рычаги тормоза 114, 115 прижимаются к соответствующим тормозным барабанам 116, 117 двойных конических дифференциалов 16, 17. В результате увеличивается или уменьшается частота вращения роторов движителей вертикального подъема. Подъемная сила в нужной части корпуса судна увеличивается или уменьшается и оно производит набор высоты, снижение или наклон на левый или правый борт (фигуры 28, 29, 30, 31). После начала движения аэродинамического судна возникает необходимость в изменении скорости движения. Это осуществляется ручками управления 85, 86, которые открывая или закрывая гидравлические краны 83, 84 изменяют количество масла, подаваемого масляным насосом 92 в полость исполнительного гидроцилиндра 87. В результате ведущая цилиндрическая шестерня 73 перемещается вдоль внутреннего ведущего вала 79, изменяя передаточное отношение, и тем самым частоту вращения воздушных винтов 20, а значит и скорость движения аэродинамического судна. Для увеличения передаточного отношения закрывается гидравлический кран 83 и открывается гидравлический кран 84. Масло вытесняется пружиной 88 из полости гидроцилиндра 87. Шток 90 выдвигается и зубчатый сектор 82 поворачивается по часовой стрелке и через зубчатую рейку 81 передвигает ведущую цилиндрическую шестерню 73 вправо. И наоборот. Для уменьшения передаточного отношения, увеличения частоты вращения воздушных винтов 28 и повышения скорости движения аэродинамического судна гидравлический кран 84 закрывается, а гидравлический кран 83 открывается. Масло из масляного бака 95 масляным насосом 92 подается в полость гидроцилиндра 87. Поршень 91 смещается влево, сжимая пружину 88, шток 90 втягивается внутрь и поворачивает зубчатый сектор 82 против часовой стрелки, передвигая ведущую цилиндрическую шестерню 73 влево. Манипулируя ручками 85, 86, можно установить ведущую цилиндрическую шестерню 73 в любое промежуточное положение относительно ведомой конической шестерни 71 и выбрать необходимую скорость движения. Движение аэродинамического судна вперед, назад и торможение осуществляется изменением направления тяги воздушных винтов 28.
Технический результат изобретения заключается в повышении эксплуатационных характеристик аэродинамического судна.