КОЛЕСНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ СКОРОСТНОГО СУДНА

Область техники, к которой относится полезная модель.
Предлагаемая полезная модель относится к водному транспорту, а именно, к колесным движителям, применяемым на судах, аппаратах на воздушной подушке и другой транспортной технике.
Уровень техники
Известен колесно-лопаточный движитель содержащий два колеса одинакового диаметра соединенных коленчатым валом, сдвиг валов которого не превышает радиуса одного колеса. Лопатки расположены на полуосях между колесами, при этом на нижних кромках лопаток могут быть установлены дополнительные лопасти контактирующие с водой по отдельным дорожкам, (патент RU №2293040 В63Н 1/04, 10.02.2007)
Недостатками известного движителя являются:
- сложность конструкции привода плоскопараллельного движения лопастей, имеющего механизм синхронизации колес и высоконагруженные шарнирные узлы;
- наличие циклических ударных нагрузок действующих на движитель и судно, возникающих при входе в воду поочередно каждой из лопастей и лопаток расположенных с большим шагом, предопределенным конструкцией движителя;
- низкая эффективность движителя на высоких скоростях, так как при входе в воду лопастей и лопаток с ростом скорости возникает гидродинамический удар, усиливается брызгообразование развивается парогазовая и атмосферная кавитация;
Известен колесный движитель, содержащий цилиндрический обод с жестко установленными зигзагообразными лопатками со сходящимися элементами, соединенными перемычками, и симметрично расположеными относительно продольной оси колеса, на лопатках колеса установлены грунтозацепы под углом до 15° к радиальной оси лопатки в сторону направления вращения с дискретностью не менее ширины грунтозацепа, причем грунтозацепы каждой последующей лопатки смещены относительно предыдущей на величину не более 2В, где В - ширина грунтозацепа (RU №236533 В63Н 1/04, 10.04.2009)
Недостатками известного движителя являются:
- ограниченность максимальной допустимой скорости вращения колеса и максимальной скорости судна с таким движителем вследствие потери эффективности лопаток из-за ударного взаимодействия с водой, повышенного брызгообразования и кавитации при входе лопаток со сходящимися элементами, соединенными перемычками, в воду на высоких скоростях;
- низкая доля силы тяги создаваемой грунтозацепами в воде вследствие относительно малой площади их сечения в сравнении с площадью лопаток колеса;
- большая масса и габариты движителя;
- потеря эффективности движителя с лопатками при движении по взволнованной водной поверхности, так как, при входе в вершину волны увеличивается площадь омываемой поверхности обода колеса и, соответственно возникает дополнительная сила сопротивления, а при входе во впадину волны происходит частичный или полный выход лопатки из воды и уменьшение силы тяги;
В качестве прототипа выбран колесный движитель для судов на воздушной подушке, состоящий из одной или нескольких пар бортовых гребных колес, включающих оси с закрепленными на них дисками, скрепленными по периметру рядом пластин, расположенных равномерно по окружности дисков, отличающийся тем, что, с целью обеспечения амфибийности судна, к пластинам радиально по отношению к оси колеса закреплен ряд упругих лопастей, имеющих на свободных концах грузы-грунтозацепы, лопасти гребного колеса выполнены разрезными, чтобы легче было преодолевать неровности твердой поверхности (RU №2429150, B60V 1/14, В63В 1/04, 20.09.2011).
Недостатками известного движителя являются:
- потеря эффективности работы лопастей на высоких скоростях и ограничение максимальной допустимой скорости вращения колеса из-за ударного взаимодействия с водой и кавитации при входе широких лопастей в воду, а перетекание воды в зазорах по разрезам лопастей вследствие относительно малой площади поперечного сечения не могут существенно изменить характер обтекания ряда лопастей по сравнению с неразрезной широкой лопастью;
- низкая эффективность работы упругих лопастей с грузами-грунтозацепами на концах в воде вследствие изгиба упругих лопастей под напором воды и увеличения потребного крутящего момента на колесе без существенного прироста тяги;
- наличие циклических ударных нагрузок действующих на движитель и судно, возникающих при входе в воду поочередно каждой из лопастей расположенных с большим шагом, соизмеримым с размерами лопасти;
- невозможность уменьшения шага установки лопастей для снижения неравномерности нагрузок и повышения сцепления с твердой поверхностью, из-за падения тяговых характеристик движителя на воде вследствие взаимного затенения лопастей и нарушения обтекания, а также возможности соударения упругих лопастей с грузами;
- необходимость поддержания определенной частоты вращения колеса для создания инерционной, центробежной силы действующей на концевые грузы, распрямляющей упругие лопасти, что усложняет выбор оптимального режима работы движителя в зависимости от параметров движения транспортного средства;
- низкая эффективность работы колеса с упругими лопастями и грузами на концах при движении по твердой поверхности из-за снижения сцепления с поверхностью вследствие исчезновения центробежной силы грузов и, соответственно, давления на опорную поверхность после контакта (причем неблагоприятного, ударного характера) с ней, так как при прокатывании колеса, как известно, в зоне контакта скорость точек колеса равна нулю, а в случае проскальзывания лопастей и грузов по поверхности, их скорость будет линейной, то есть, без возникновения центробежных, прижимающих грузы и лопасти сил;
- потеря эффективности движителя с упругими лопастями и грузами, с увеличением диаметра колес или при установке таких лопастей на ленту гусеницы, в следствие уменьшения или исчезновения центробежной силы действующей на груз.
Указанные недостатки снижают эксплуатационные характеристики движителя и амфибийных судов вследствие низкого уровня допустимой максимальной скорости вращения колеса и, соответственно, низкой скорости движения, наличия ударных нагрузок и вибрации, и из-за сложности подбора оптимального режима работы колесного движителя в зависимости от характера подстилающей поверхности и параметров движения амфибийного судна.
Раскрытие полезной модели
При разработке предлагаемой полезной модели была поставлена задача повышения допустимой максимальной скорости вращения колеса и обеспечения высоких тяговых характеристик в широком диапазоне скоростей движения судная с колесным движителем, снижения циклических ударных нагрузок и кавитации, возникающих при входе лопастей в воду, а также повышения сцепления и тяги движителя при движении по грунту, льду и слабонесущим поверхностям.
Технический результат состоит в достижении эффективной тяги колесного движителя при высоких значениях максимальной скорости на воде за счет снижения неравномерности потока в рабочей зоне лопастей путем раздробления вихрей при одновременном повышении их интенсивности и уменьшения размеров каверн образующихся при входе узких лопастей в воду, за счет более благоприятной интерференции при обтекании большего числа равномерно распределенных в потоке узких лопастей, а при движении по твердой поверхности - в снижении ударных нагрузок за счет увеличения количества точек контакта для равномерности распределения давления и улучшения сцепления движителя в процессе движении по твердой и слабонесущей подстилающей поверхности.
Эта задача решается за счет того, что в отличие от наиболее близкого аналога колесный движитель оснащен лопастями в виде радиально направленных стержней дистанционно размещенных на ободе колеса с шагом равным или более трех диаметров стержня и с шагом вдоль образующей обода по ширине колеса более двух диаметров стержня.
Кроме того, лопасти в виде стержней могут иметь клиновидную форму поперечного сечения с острой кромкой направленной в сторону вращения колеса.
Изобретение характеризуется следующей совокупностью существенных признаков:
Предлагаемый движитель характеризуется наличием лопастей в виде радиально направленных стержней дистанционно размещенных на ободе колеса, что определяет их форму и взаимосвязь. Применение лопастей в виде радиально направленных стержней, диаметр которых мал по сравнению с длиной, позволяет обеспечить обтекание при входе в воду и дальнейшем прохождении с минимальными гидродинамическими потерями, связанными с кавитацией и брызгообразованием, уменьшить относительные размеры каверн и длину вихревого следа за каждой лопастью, что позволяет уменьшить шаг размещения лопастей по периметру и увеличить их число. В результате, достигается снижение амплитуды пульсации силы тяги и повышение частоты пульсаций вследствие увеличения числа одновременно взаимодействующих с водой (или с опорной поверхностью) лопастей и в сумме обеспечивающих создание необходимой силы тяги в широком диапазоне скоростей.
Кроме того, движитель характеризуется взаимным расположением его элементов с определенными относительными параметрами, а именно: лопасти в виде стержней размещены на ободе колеса с шагом равным или более трех диаметров стержня и с шагом вдоль образующей обода по ширине колеса более двух диаметров стержня. Расположение лопастей на ободе колеса с шагом равным или более трех диаметров является необходимым условием для эффективной работы каждой последующей лопасти в следе предыдущей. При меньшем расстоянии (шаге) между лопастями, согласно результатам экспериментальных исследований, они будут находится в спутной струе с высокой индуцированной скоростью. То есть, каждая лопасть будет затенена предыдущей лопастью, и тяга движителя будет низкой независимо от числа лопастей и диаметра колеса. С увеличением шага от трех диаметров и более взаимодействие между следом идущими лопастями снижается и эффективность движителя возрастает. Расположение лопастей с шагом вдоль образующей обода по ширине колеса более двух диаметров стержня позволяет обеспечить необходимую интенсивность потока проходящего в сечении между лопастями для снижение перепадов давления и местных скоростей воды, вызывающих возмущенность потока для следующего ряда наступающих лопастей. С ростом скорости вращения колеса вхождение в воду ряда лопастей распределенных по ширине колеса происходит с образованием, соответственно, ряда распределенных очагов ударного взаимодействия с водой малой размерности, при чем, их интерференция, в особенности в поперечном направлении может приводить к взаимному погашению и снижению брызгообразования, уменьшения размеров поверхностных каверн и кавитации. Поэтому колесный движитель может применяться на более высоких скоростях движения судна.
При движении по твердой подстилающей поверхности лопасти колеса при указанном взаимном расположении работают как опорные элементы и грунтозацепы, которые более часто и равномерно распределены по площади контакта, что снижает ударные нагрузки, вибрацию, повышает сцепление с поверхностью и тягу.
Таким образом, наличие элементов: лопастей определенной формы в виде стержней, их взаимное расположение относительно других элементов движителя - обода колеса и расположение между собой, а также их взаимосвязь, обеспечивают достижение технического результата, а именно: получении эффективной тяги колесного движителя при высоких значениях максимальной скорости на воде за счет снижения неравномерности обтекания большего числа более узких лопастей, раздробления вихрей при одновременном повышении их интенсивности, за счет уменьшения размеров каверн образующихся при входе более узких лопастей в воду и более благоприятной интерференции при обтекании ряда лопастей, а так же, в обеспечении более равномерного распределения давления концов лопастей контактирующих с подстилающей твердой поверхностью и повышения сцепления гребного колеса при движении по грунту, льду и слабонесущим поверхностям.
Кроме того, наличие элементов - лопастей определенной, клиновидной формы поперечного сечения дополнительно обеспечивают достижение технического результата а именно: повышения максимальной допустимой скорости входа вводу лопастей колесного движителя за счет снижения брызгообразования, ударных нагрузок и кавитации. Достижение такого технического результата позволяет решить задачу повышения допустимой максимальной скорости вращения колеса и обеспечения высоких тяговых характеристик в широком диапазоне скоростей движения судная, снижения циклических ударных нагрузок, а также обеспечения более равномерного распределения давления и повышения сцепления гребного колеса при движении по грунту, льду
Дополнительным преимуществом движителя с лопастями в виде стержней является повышение надежности при эксплуатации за счет их упругой изгибной деформации при наезде на плавающий предмет или неровность поверхности и меньшей повреждаемости лопастей.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 изображен общий вид колесного движителя сбоку.
На фигуре 2 изображен ряд лопастей в поперечном сечении колеса.
Колесный движитель скоростного судна состоит из диска колеса 1, закрепленного на приводной оси 2, обода колеса 3, на котором дистанционно размещены лопасти в виде радиально направленных стержней 4. Лопасти закреплены на ободе с шагом h в плоскости вращения колеса и с шагом S в плоскости поперечного сечения колеса, то есть вдоль образующей обода колеса. В поперечном сечении колеса набор лопастей представляет собой ряд стержней закрепленных на ободе с шагом S, размер которого должен быть более 2b. Шаг h должен быть равен или более 3b. Форма сечения стержня выбирается из конструктивных и технологических соображений и может быть, например, круглой, квадратной, прямоугольной, а также клиновидной (на рисунке не показано). В рабочем режиме колесо частично погружается стержнями на глубину, при которой уровень воды 5 находится ниже поверхности обода 3. В режиме движения по суше колесо входит в зацепление концами стержней, взаимодействуя с твердой или слабонесущей подстилающей поверхностью 6 и создает тягу.
Осуществление полезной модели
Конструктивно-технологические параметры колесного движителя: диаметр и ширина колеса, длина погружной рабочей части лопастей выбираются исходя из мощности силовой установки, назначения и размерности судна. Число лопастей на колесе заданного диаметра зависит от выбранного диаметра стержней b, принятых значений шага S (более 2b) и шага h (3b и более). При меньших значениях диаметра лопасти и увеличенном шаге гидродинамика колеса улучшается, однако снижается прочность и жесткость лопасти. Наиболее оптимальным для достижения высоких тяговых характеристик в воде является шаг лопастей в плоскости вращения h в области 10b. Тяговые характеристики движителя по твердой подстилающей поверхности повышаются с уменьшением шага установки лопастей. Путем подбора жесткости стержней на изгиб и материала дополнительно достигается снижение ударных нагрузок в особенности для режимов движения по мелководью, битому льду и твердой подстилающей поверхности.
Работает колесный движитель следующим образом. При вращении колеса в воде, лопасти очередного ряда входят в верхние слои воды одновременно в нескольких точках по ширине колеса (по числу лопастей в ряду) с неизбежным брызгообразованием и возникновением каверн, размеры и интенсивность которых тем меньше, чем меньше диаметр стержней при заданной скорости вращения. Ударный характер входа лопастей в воду определяется вертикальной составляющей скорости вращения концов лопастей. В процессе прохождения лопастей по рабочей зоне в ней индуцируется горизонтальная скорость массы воды, за счет изменения количества движения которой, возникает тяга движителя.
В начале движения по воде, когда скорость судна близка к нулю, привод движителя передает колесу крутящий момент и заданную скорость вращения, при которой обеспечивается необходимая разность горизонтальной составляющей скорости лопасти и индуцированной скорости потока в рабочей зоне колеса для получения необходимой тяги движителя. С увеличением скорости движения судна необходимо повышение скорости вращения колеса, что бы обеспечить необходимое превышение горизонтальной составляющей скорости лопасти над скоростью потока в сумме с индуцированной скоростью. В результате, возрастает и вертикальная составляющая скорости лопасти в точке входа в поверхность воды, что приводит к усилению ударного взаимодействия лопасти с водой. Для движителя скоростных судов вертикальная составляющая скорости конца лопасти возрастает в несколько раз, поэтому применение узких лопастей распределенных по ширине колеса позволяет снизить ударные нагрузки на лопасть и обеспечить высокие тяговые характеристики. Форма поперечного сечения лопастей выбирается из технологических и конструктивных соображений. Использование клиновидной формы поперечного сечения лопасти дополнительно обеспечивает повышение допустимой максимальной скорости вращения колеса и скорости судна, что важно для скоростных глиссирующих и амфибийных судов.
При движении судна по загрязненному водоему или по твердой поверхности в момент наезда на плавающий предмет, бревно, осколки льда, камень и прочие неровности одна или несколько лопастей взаимодействуя с ними упруго деформируются, работая на изгиб независимо друг от друга, смягчают удар, снижая скачек крутящего момента и вертикальной силы. В случае появления остаточных деформаций стержня или местных повреждений его поверхности возникших при нерасчетных перегрузках, работоспособность движителя сохраняется, что повышает надежность его эксплуатации.
Аналогично колесному движителю, лопасти в виде стержней дистанционно расположенных с указанным взаимным расположением могут быть установлены на ленте гусеничного движителя для скоростного амфибийного судна.