УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДНИЩА КОРПУСА СУДНА НА СЖАТОМ ПНЕВМОПОТОКЕ
DEVICE FOR REDUCTION OF HYDRODYNAMIC RESISTANCE OF SHIP HULL BOTTOM IN COMPRESSED AIR FLOW

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано при конструированию судов, использующих динамическую воздушную подушку, обладающих 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 при создании транспортных судов (ТСВП) для перемещения по воде, снегу и земле.
Известно судно на воздушной подушке, содержащее корпус с камерами воздушной подушки, вентиляторную установку с воздушными каналами и приводом, от которой воздух поступает непосредственно в камеры воздушной подушки, рулевые закрылки, гибкую переднюю стенку камер; выходные отверстия воздушных каналов размещены в кормовой части корпуса непосредственно перед рулевыми закрылками, образующими заданную стенку продолжения воздушных каналов (Патент SU №499790, B60V 1/18 от 15.01.1976).
Недостатком этого технического решения является повышение сопротивление движению судна вследствие большой поверхности контакта элементов судна с водой.
Известно также судно на воздушной подушке, содержащее корпус, двигательную и нагнетательную установки, а также ограждение области воздушной подушки с носовым и кормовыми подвижными элементами, с бортовыми скегами и средним скегом, секционирующим область воздушной подушки на левую и правую отдельные камеры; нагнетательная установка выполнена с рулевым устройством, регулирующим нагнетание воздуха в упомянутые камеры (Патент RU №2097231, B60V 3/06 от 27.11.1997).
Данному техническому решению присущ тот же недостаток, что и вышеописанному аналогу. В случае перемещения судна по воде в условиях волнения возникает значительное сопротивление. Перемещение по твердой неровной поверхности при использовании судна в качестве амфибии весьма затруднительно, управление судном в этом случае практически невозможно.
Известно судно на воздушной подушке, содержащее корпус, нагнетательную установку с рулевым устройством, ограждение области воздушной подушки с носовым и кормовым элементами и бортовыми скегами, снабженными гибкими ограждениями, прикрепленными к их нижней части; эти ограждения уменьшают потери воздуха, что повышает экономичность судна (Патент RU №2167775, B60V 3/06, 1/16 от 27.05.2001).
Недостатком данной конструкции является то обстоятельство, что при движении судна над водой, особенно в условиях волнения, увеличивается площадь контакта наружной поверхности гибкого ограждения с водой, что существенно увеличивает сопротивление движению судна, сопротивление по каждому борту судна будет разным; вследствие этого возникает рыскание судна по ходу его движения, ухудшается устойчивость по курсу.
Известно судно преимущественно водоизмещающего типа с цилиндрической вставкой с воздушной прослойкой под днищем, содержащее корпус, в днище которого образована полость, сообщенная с источником сжатого воздуха, ограниченная бортовыми скегами и кормовым замыкающим элементом. В полости уставлен по крайней мере один водоотводящий элемент, нижняя кромка которого не выходит за нижние кромки бортовых скегов. Бортовые скеги выполнены с водоотделяющими нижними кромками, расположенными под острым углом к диаметральной плоскости судна, по крайней мере, на длине не менее 1/3 расстояния от точки пересечения этих кромок с диаметральной плоскостью в носовой части днища до кормового края кормового замыкающего элемента (Патент RU №2051510 В63В 1/18 от 27.12.1995).
Благодаря бортовым скегам, расположенным под острым углом к диаметральной плоскости, эффективность снижения сопротивления трения увеличивается за счет образования воздушной прослойки на сужающихся участках днища.
Однако воздушная прослойка в этом судне устойчива также в узком диапазоне скоростей, так как форма полости выполнена без учета характера обводов смоченной поверхности днища судна перед полостью.
Известно амфибийное судно на сжатом пневмопотоке, создающее давление воздуха под днищем, последнее выполнено из частей под различными углами, створка расположена на передней части корпуса, руль поворота, при этом в кормовой нижней части корпуса непосредственно перед рулевым устройством днище выполнено с продольным уступом со срезом в сторону носовой части, с воздухозаборным каналом нагнетательного устройства в виде импеллера, воздух из сопла которого подается под углом под днище судна, уступ размещен в нижней средней части кормы по центру днища и образует два пневмоканала с двух сторон между уступом, при этом за соплом импеллера дополнительно закреплена подвижная горизонтальная перегородка на оси вращения для продолжения воздушного канала в сторону уступа со срезом, кроме того, к днищу в зоне уступа с пневмоканалами закреплен поворотный щиток на горизонтальной оси вращения с возможностью его примыкания в заданном положении к дну уступа, при этом на внешней стороне бортов судна закреплены направляющие в виде выступов-открылок из двух соединенных между собой вертикальных пластин, одна из которых жестко закреплена к борту и является ограничителем против опрокидывания второй пластины на внешнюю сторону, причем вторая пластина имеет ось вращения с возможностью ее поворота и примыкания к скошенному участку нижней части борта судна в сторону днища и подпружинена относительно первой пластины. Кроме того, руль поворота со щитком дополнительно содержит второй щиток, закрепленный шарнирно к первому, и подпружинен относительно первого щитка с возможностью его поворота в вертикальной плоскости (Патент RU №2552581, B60V 3/06 от 10.06.2015).
Однако, не смотря на его широкие возможности, при управлении этого транспортного средства узкие пневмоканалы разделены уступом с наклоном по центру днища судна в кормовой части дают возможность разделять воздушный поток от импеллера со стороны глухой части уступа сзади кормы и к вертикальной оси вращения закреплен вертикальный щиток, отклоняющий как воздушный поток, так и одновременно погружен в воду, которая сопровождает большое динамическое воздействие на его боковую плоскость и сложность составного руля в виде двух соединенных механически между собой пластин руля. При этом в движении и, особенно при поворотах судна вправо или влево, скоростной воздуховодяной поток ударяется о плоскость щитков и его вертикальную ось, происходят восходящие потоки воды и воздуха (смешанный). Кроме того, наличие уступа под днищем судна резко вызывает сопротивление и снижает скоростные характеристики судна, так как часть полезного сжатого воздуха теряется на преодоление сопротивления о стенки судна, а сам уступ оказывает большое сопротивление выходящему воздуху под днищем судна, т.е. снижается КПД судна, дополнительно образуются и боковые брызги. При этом чтобы получить и сохранить наибольший КПД и объем использования сжатого воздуха для мощных двигателей необходимо уменьшить большое сопротивление для такого судна и убрать уступ между пневмоканалами, чтобы также уменьшить и размеры судна по ширине, соответственно, при том же возможном его назначении судна. Иначе говоря, устранения фонтанов и брызг, после действия таких возмущений ввоздуховодяных потоков при крейсерской скорости, повышение КПД. Кроме того, основание скегов, соприкасающихся с опорной поверхности воды, земли, льда и снега приводят к большим сопротивлениям в движении, соответственно к потерям мощности самого движителя (например, импеллера). Таким образом, повышенное сопротивление движению судна вследствие большой поверхности контакта элементов судна с водой и твердой поверхностью.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является судно на воздушной подушке, содержащее корпус, нагнетательную установку с рулевым устройством, ограждение области воздушной подушки с носовым и кормовыми элементами и боковыми скегами, снабженными гибкими ограждениями, прикрепленными к их нижней части, на наружных поверхностях гибких ограждениях под углом 30-60° к вертикальной плоскости размещены полосы из эластичного материала, имеющие клиновидную форму, при этом полосы заостренной частью ориентированы по направлению движения судна (Патент RU №2182089, B60V 3/06 от 10.05.2002).
Однако воздушная прослойка на этом судне ограничена устойчивостью не по всей площади днища корпуса судна, а лишь в узком диапазоне только связанное по обоим бортам в виде скегов, так как борта судна не связаны с формой днища судна без учета характера смоченной поверхности днища судна от начального носового участка до конца кормовой части всего судна в целом, так как зона гидродинамических ударов располагается по всей смоченной поверхности днища, т.е. отсутствует возможность упругой деформации покрытия снизу днища и боковых стенок скегов. Таким образом, отсутствует возможность получения вязко-упругих свойств с обтекаемым телом и щелевые зазоры между ними, связанные с потоком в движении, и скорости движения судна недостаточны, и не достигают повышенных эксплуатационных характеристик для скоростного судна на воде и твердой поверхности.
Задача изобретения - создание судна на сжатом пневмопотоке с воздушной прослойкой под днищем, обеспечивающем снижение сопротивления трения в широком диапазоне скоростей движения судна, и повышения эксплуатационных характеристик судна на сжатом пневмопотоке.
Технический результат от использования изобретения заключается в создании днища корпуса судна с оптимальными формами, боковыми скегами, а также снизу закрытого участка в носовой части судна, в котором размещен импеллер, выполненными с учетом покрытия защитного слоя смоченной поверхности всего днища корпуса судна, которые образуют единую обтекаемую прослойку пограничного слоя воздуховодяной каверны на всей площади под днищем в широком диапазоне скоростей со стороны высокого давления воздуха (гидродинамической среды).
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, содержащем корпус, нагнетатель воздуха высокого давления, рулевое устройство, бортовые скеги, днище обтекаемого корпуса защищено слоем материала, выполненного со свободно выступающими одним концом отдельными упругими стержнями и/или волокнами, изготовленными из упругих полиэтиленовых материалов в виде щетки скрепленных жестко с защитным покрытием материала.
Кроме того, защитное покрытие выполняют из износостойкого тонкого материала, например из пластика высокой прочности.
Целесообразно, чтобы боковые скеги с внешней стороны были выполнены под углом с уменьшающимися основанием в сторону опорной поверхности воды.
Целесообразно, чтобы у такого судна воздуховодяной поток дополнительно дифференцированно дросселируют в зоне его расширения сзади кормовой части превышающим стартовое давление на выходе из кормовой части судна, и сформированным под днищем судна.
Указанные отличия - использование защитного покрытия из гибких и упругих стержней и/или упругих волокон, покрывающих всю площадь покрытия под днищем и внутренние стенки боковых скегов из полиэтиленового материала высокой прочности (или нано материал), делает их гибкими в сторону выхода сжатой воздушной смеси сзади кормовой части. Колебания гибких стержней или волокон способствует возникновению воздушной прослойки в виде смазки и способствует предотвращению кавитационных свойств на водной поверхности, так как в промежутках между гибкими стержнями или волокнами образуются воздуховодяные пузырьковые явления, которые образуют сплошной скользящий воздуховодяной поток под днищем корпуса судна, т.е. образуется аэрированная «воздуховодяная подушка» в виде смазки.
Таким образом, вертикальные пластмассовые стержни или волокна способны вибрированию (изгибу) при движении воздуховодяного потока, днище которого ограничено по ширине продольными бокоыми скегами - судно скользит (перемещается) по воде, льду, снегу и по земле, и в конечном итоге, уменьшаются сопротивления движения судна, особенно в условиях волнения, а также уменьшения рыскания судна и повышения его устойчивости по курсу. Оно имеет практическую реализацию, просто в исполнении.
Следует отметить, что пластмассовые стержни или волокна способны вибрированию (изгибу) при движении судна, а это еще дополнительные колебания для образования воздушной прослойки на всем протяжении под днищем корпуса судна, а также приводит к уменьшению сопротивлений и истиранию днища судна в целом, отсутствует скачкообразное движение судна, которое присутствует в аналогах. В целом повышаются сроки эксплуатации, и обуславливает усовершенствование с целью повышения эксплуатационных характеристик судна на сжатом пневмопотоке.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявляемому изобретению, что позволяет сделать ввод о его соответствии «новизна».
Реализация отличительных признаков изобретения обуславливает также появление важных свойств объекта: происходит срыв потока, воздуховодяная смесь практически касается только гибких концов стержней или волокон в виде изгибающих устройств жестко скрепленных с защитным слоем тонкого материала снизу днища корпуса судна, что уменьшает контакта с водой, оно скользит на пневмоподушке.
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 заявителей, сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 изображено продольное сечение судна; на фиг. 2 показано устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, в котором используется импеллер, вид снизу, изометрия; на фиг. 3 - вид на кормовую часть судна с рулем; на фиг. 4 - фрагмент выполнения покрытия со стержнями; на фиг. 5 - то же, с волокнами.
Предлагаемое изобретение - устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на пневмопотоке содержит корпус 1, импеллер 2 в кожухе и расположенного в носовой части судна, где движение происходит в закрытом пространстве, состоящий из статора и ротора, лопатки которого выполнены криволинейными и повернутыми в вертикальной плоскости относительно друг к другу в противоположных направлениях для выравнивания потока воздуха в корпусе крепления, переходной закрытый участок 3, которого имеет одинаковую ширину на выходе в закрытый сверху и снизу пневмоканал 4 с возможностью образования внутри него воздушного напорного потока. При этом импеллер 2 закреплен под углом 20-30° для забора воздушного атмосферного потока под днище судна с фиксированием в заданном угловом положении в носовой части судна. Таким образом, замкнутое пространство пневмоканала 4 переходит в открытый канал 5 днища, ограниченный продолжением боковыми скегами 6. Плоское днище в поперечное сечении выполнено в форме перевернутого полукруга с ограниченными боковыми скегами, которые с внешней стороны выполнены углом с уменьшающимся основанием в сторону касания опорной поверхности воды, образует один прямолинейный прямоточный канал 5, совпадающий с направлением пневмоканала 4, переходного участка 3 с импеллером 2, которые дает своим положением возможность свободного и сжатого прохода всей части воздушного потока воздуха и выхода его в виде газоводяного потока сзади кормовой части судна между двумя рулевыми устройствами 7 и 8 для обеспечения управляемости судном на сжатом пневмопотоке. Рулевые устройства 7 и 8 со стороны концов скегов содержат щитки 9 и 10, ограничивающих общий канал 11 выхода сжатого воздуха, в результате чего образуется один общий газоводяной поток симметрично по отношению продольной оси канала 5 с закрытым пневмоканалом 4. Ось вращения рулей 7 и 8 соединены сверху на палубе с регулируемыми тягами 12 и 13 и соединены в одном узле 14 для соединения с общей тягой управляемой экипажем (аналогично рулю автомобиля).
В вертикальном положении щитки 9 и 10 целесообразно выполнять с гидроцилиндрами (не показано), чтобы обеспечить их свободный вертикальный ход при встрече с препятствиями в воде, по льду и на земле.
При транспортировке судна на автотранспорте могут щитки складываться, т.е. убраны таким образом, чтобы устранить их возможность от поломки (не показано).
Форма конструкции рулевых устройств 7 и 8, положение щитков 9 и 10, соответственно, одинаковой конструкции позволяет обеспечить устойчивые повороты судна при развороте щитков на угол 20…30° относительно вертикальных их осей с креплением в кормовой части судна.
В конце кормовой части корпуса целесообразно закрепить горизонтальный потоконаправляющий элемент, выполненный в виде П-образного козырька 15 (фиг. 3), выше щитков 9 и 10. Потоконаправляющий элемент 15 (козырек) образует защитный экран сверху и частично с боков в кормовой части судна, шириной, равной расстоянию до расположения рулевых устройств со щитками, что создает продолжение выхода газоводяного потока в атмосферу, и отсутствует залив палубы сзади кормы.
При работе импеллера 2 засасывание воздуха из окружающей среды в переходной закрытый участок 3 происходит через решетку (не показано).
Защитное покрытие днища корпуса судна и внутренний частей боковых скегов включает защитный тонкий слой 16 износостойкого материала, например, из пластика высокой прочности (или иного наноматериала), который на поверхности контактирует по всей его плоскости дна с водной поверхностью, т.е. в зонах всех участков касания с водой. К защитному слою 16, состоящего из сплошной подложки (покрытия) закреплены одним концом слой из стоящих отдельных стержней 17 или волокон 18, которые закреплены одним концом к тонкому защитному слою 16 покрытия покрытии днища корпуса и других всех его элементов (сплошной поверхностью), а другим концом свободно выступают. Эти стержни или волокна могут быть закреплены и непосредственно к поверхности днища переходного участка 3 и закрытого пневмоканала 4 снизу с переходом закрытия открытого канала 5, а также стенок боковых скегов 6 с внутренней стороны в сторону днищу корпуса судна.
Благодаря тому, что упругие стержни 17 или волоконы 18 расположены часто (наподобие щетины в щетке), они удерживают слой капельно-воздушного потока, толщина которого определяется высотой стержней или гибкостью волокон в виде системы профилированных обтекателей, размещенных относительно опорной поверхности воды под днищем корпуса судна, при этом пограничный поток с нижней стороны обтекателей через щелевые зазоры между ними связан с захватом воздуховодяного потока и образования пузырьковых явлений, приводимым в движение скоростным судном на сжатом пневмопотоке, путем подключения импеллера высокого давления воздуха через закрытый пневмоканал, а также связи с открытым каналом снизу под днищем корпуса судна со стороны общего образующего газоводяного сжатого потока (гидродинамическая среда). Таким образом, сохранение высоконапорного давления сжатого воздуха по всей площади под днищем корпуса дает возможность снижения потребляемой мощности импеллера, используемого для создания формирующего газодинамическую струю воздуха высокого давления ниже закрепленных стержней 17 или волокон 18 и, сохраняя смазку на поверхности воды в виде воздушной прослойки до выхода воздуховодяной струи в концевую часть кормы. Судно практически скользит выше опорной поверхности воды на крейсерских скоростях, и начинает быстро двигаться вперед. Для поворота судна используют рулевые устройства 7 и 8.
Данная совокупность предлагаемого технического решения обладает хорошей устойчивостью, судну придано горизонтальное устойчивое положение при высоких скоростях движения судна. В свою очередь это позволяет также избегать столкновения с подводными предметами на воде, двигаться по льду, не зарываясь в него носовой частью корпуса во время движения. Кроме того, судно практически создает воздушную прослойку из газоводяного потока по всему периметру днища корпуса, ограниченного боковыми скегами, что также увеличивает на некоторую высоту за счет подъемной силы, за счет большой реактивной тяги.
Устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке работает следующим образом.
В начале движения импеллер 2, расположенный в передней части корпуса 1, подает воздушную смесь высокого давления через сопло в переходной участок 3 и закрытый пневмоканал 4, при этом смесь заполняет далее открытый снизу канал 5 и судно начинает стартовое движение, так как весь начальный объем воздуха продолжает проходить через пневмоканал 4, канал 5, ограниченные боковыми скегами 6 и опорной поверхности воды ниже днища корпуса, площадь поперечного сечения которых вся покрыта защитным тонким слоем 16 из износостойкого тонкого материала, например из пластика высокой прочности, выполненным из стоящих отдельных стержней 17 или волокон 18. В результате чего днище, выполненное определенной формы, образует взаимодействие микроударов на отдельные стержни 17 или волокна 18, гасится их эластичностью - они отклоняются в случае с зоной микроудара, и образуют газоводяную прослойку пузырькового явления с границей опорной поверхности воды. Для разной скорости движения изгиб их будет различным, вплоть до первоначального положения при остановке судна.
В результате этой работы при расположении стержней или волокон создается эффект «воздушной смазки», т.е. в рабочем положении создается дополнительный эффект «воздушной подушки» при крейсерской скорости судна. Таким образом, за счет захвата воздуха между пространством гибких стержней или волокон в сторону изгиба их кормовой части судна, обеспечивает перевод энергии микроударов в упругие деформации, в результате чего его вязкоупругие свойства обеспечивают судну на сжатом пневмопотоке высокую скорость и комфортабельность для пассажиров в движении по волнам, поскольку трение по поверхности контакта значительно снижается по всему днищу корпуса судна в условиях волнения, улучшается его устойчивость по курсу.
Маневрирование судна может осуществляться мощностью работы импеллера 2 путем уменьшения его оборотов лопастей или увеличения с подачей воздуха, соответственно, понижения или повышения давления через переходной участок и закрытый пневмоканал 4, днище которых также по всей ширине поперечного сечения покрыто защитным тонким слоем 16 со стержнями 17 или волокнами 18.
Судно на сжатом пневмопотоке позволяет свободно передвигаться по снегу любой плотности, льду, отмелям и перекатам, не снижая скорости, переходя из воды на лед.
Таким образом, в результате снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна и внутренних стенок, боковых скегов достигается путем жесткого крепления к днищу защитного слоя полотна материала (с применением известных технологий покрытий и наноматериала), выполненный из стоящих отдельных упругих стержней или волокон с вязкоупругими свойствами.
Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения и достаточны для его практической реализации при разработке и изготовлению судна на сжатом пневмопотоке.