СПАСАТЕЛЬНАЯ ШЛЮПКА С ГИДРОВОЛНОВЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ
LIFEBOAT WITH HYDRO WAVE PROPULSION DEVICE

Изобретение относится к области судостроения, в частности к малым плавающим средствам - шлюпкам и плотам, в т.ч. к спасательным, а также к области их ходовых механизмов, в частности к приводу ходового винта.
Известна спасательная шлюпка с устройством для обеспечения ее хода, состоящим из ходового винта, приводного электродвигателя, батареи аккумуляторов и генератора электрического тока, содержащего ротор и статор с горизонтально расположенной общей продольной осью, у которого статор или ротор закреплен в шлюпке, а парный им ротор или статор установлен свободно от других приводных устройств, с возможностью колебания вокруг своей оси от действующих на шлюпку волн воды, для чего ротор или статор выполнены статически несбалансированными за счет различных вариантов эксцентричного смещения центра их массы относительно оси его вращения и вариантов их установки на шлюпке (см. Патент Российской Федерации на изобретение №2397104 МПК В63С 9/02. Спасательная шлюпка с устройством для обеспечения ее хода и ее непрямое применение. Заявка №2009100835/09 от 12.01.09. Авт. изобр. Настасенко В.А. // БИ №23 от 20.08.10).
Недостатком данной шлюпки является низкая мощность электрических генераторов за счет малой частоты вращения ротора или статора, генерирующих электрический ток.
Известна также спасательная шлюпка с устройством для обеспечения ее хода, состоящим из ходового винта, вал которого связан через систему зубчатых колес с люлькой, имеющей сиденья для пассажиров, которая закреплена на радиальных стержнях, свободно подвешенных с возможностью циклических колебаний люльки на полуосях, установленных на опорах, жестко связанных с корпусом шлюпки, на угол ±α при ее килевой качке на волнах, на радиальных стержнях с двух торцов люльки установлены секторы ведущих зубчатых колес, центры которых связаны с осью ее колебания, а с зубчатым венцом каждого из секторов введено в зацепление промежуточное зубчатое колесо, установленное на валу в гнездах, закрепленных на опорах люльки или на корпусе шлюпки, а на другом конце каждого из валов установлено коническое зубчатое колесо, с которыми введена в зацепление общая коническая шестерня, вал которой связан с соосным выходным зубчатым колесом или с редуктором, введенным в зацепление с шестерней вала ходового винта (см. патент Российской Федерации на изобретение №2479462 МПК В63С 9/02//В63Н 19/02 Спасательная шлюпка с устройством для обеспечения ее хода. Заявка №20011139941/11 от 30.09.11. Авт. изобр. Настасенко В.А. // БИ №11 от 20.04.2013).
Недостатками данного устройства являются:
1. Подвешивание люльки с пассажирами на полуосях, гнезда которых подвергаются большим нагрузкам при ударах волн.
к
п
п
п
2. Формирование кинетической энергии Е вращения промежуточных зубчатых колес за счет потенциальной энергии Е подъема центра массы люльки с пассажирами на высоту h (1), которая зависит от величины радиуса r качания центра массы и угла ±α продольных колебаний корпуса шлюпки волнами, и при реальных углах качки шлюпки волнами α±15° составляет незначительную величину h<3,5% от радиуса r, что адекватно уменьшает величину потенциальной энергии Е, по отношению к массе m люльки с пассажирами (2):
2
где g = - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с.
Развиваемой при этом мощности недостаточно для исключения из шлюпки ДВС, предназначенного для обеспечения ее хода.
3. Использование зубчатых секторов больших размеров и сложность их монтажа, поскольку зубчатое зацепление создано на различных не связанных между собой опорных поверхностях и устройствах.
4. Высокая вероятность поломок зубьев зубчатых передач при ударах волн по корпусу шлюпки.
max
min
max
min
max
min
max
min
Устранение указанных недостатков является задачей данной заявки на изобретение. Ее решение возможно путем создания спасательной шлюпки с гидроволновым движителем, состоящим из люльки с сиденьями для пассажиров, имеющей возможность циклических колебаний на угол ±α при килевой качке шлюпки на волнах, а торцы люльки связаны с вертикальными дуговыми секторами, центры которых совмещены с горизонтальной осью ее колебания, размещенной поперек корпуса шлюпки, при этом для устойчивой ориентации к центру Земли центра масс люльки она установлена на опорные колеса со скрепленными с ними осями, имеющими возможность свободного вращения в установленных в корпусе шлюпки опорах, посредством контакта оснований дуговых секторов люльки и их свободного качения по этим колесам, при этом центр ее масс совмещен с вертикальным осевым сечением торцовых секторов, а оси вращения опорных колес кинематически связаны с валами роторов электрогенераторов, установленных в корпусе шлюпки, а для увеличения энергетического потенциала люльки, в ней размещены системы жизнеобеспечения пассажиров и все грузы шлюпки, а для смягчения ударов волн, опорные колеса с их осями и опоры для их вращения установлены на опорной платформе, демпфированной от корпуса шлюпки пружинами, и/или рессорами, и/или гидравлическими, и/или воздушными подушками, и/или их комбинациями, а для ограничения сектора дугового движения люльки при предельных допустимых наклонах шлюпки волнами, на концах дуговых секторов люльки и/или напротив них внутри корпуса шлюпки установлены упругие упоры с возможностью смягчения контакта этих концов с корпусом, а для исключения продольного сдвига люльки при ее загрузке пассажирами и при спуске шлюпки, на закрепленных на люльке горизонтальных осях установлены поворотные дуговые секторы-прихваты, нижние концы которых введены в контакт с остовом корпуса шлюпки через общее окно в опорной платформе и в остове, а верхние концы - через промежуточные стержни шарнирно связаны с нижними плечами установленных в люльке на своих горизонтальных осях поворотных рычагов, верхние плечи которых имеют возможность прямого и обратного поворота пассажирами шлюпки, а для увеличения частоты вращения роторов электрогенераторов, с осями всех опорных колес жестко связаны ведущие зубчатые колеса, а с ними введены в зацепление шестерни, установленные на валах роторов электрогенераторов, а для повышения удобства монтажа, ось каждого опорного колеса связана с осью ведущего зубчатого колеса соединительной муфтой, а введенная в зацепление с ведущим зубчатым колесом шестерня установлена на своей оси, выходной конец которой связан другой соединительной муфтой с валом ротора электрогенератора, при этом оси указанного зубчатого колеса и шестерни введены в общий корпус, или между осью опорного колеса и валом ротора электрогенератора установлен мультипликатор, корпуса которых закреплены на опорной платформе, а для исключения реверса ротора электрогенератора, с осью каждого опорного колеса связано свое ведущее зубчатое колесо с зубчатым венцом двойной ширины, а на валу ротора электрогенератора установлены друг за другом две обгонные муфты, связанные со своими шестернями, из которых одна введена в зацепление с ведущим зубчатым колесом в первой половине ширины его зубчатого венца напрямую, а вторая шестерня - через зацепление с выступающей за зубчатый венец ведущего колеса половиной ширины зубчатого венца паразитной шестерни двойной ширины, которая второй половиной ширины зубчатого венца введена в зацепление со второй половиной ширины зубчатого венца ведущего зубчатого колеса, а для повышения удобства монтажа, ось опорного колеса связана с осью ведущего зубчатого колеса соединительной муфтой, а обгонные муфты с их шестернями установлены на промежуточной оси, выходной конец которой связан с валом ротора электрогенератора через соединительную муфту, при этом оси ведущего зубчатого колеса, обгонных муфт и паразитной шестерни введены в общий корпус, который закреплен на опорной платформе, а для дальнейшего увеличения частоты вращения вала ротора электрогенератора, обгонные муфты с их шестернями установлены на ось промежуточного зубчатого колеса, которое введено в зацепление с шестерней, закрепленной на валу ротора электрогенератора, а для повышения удобства монтажа и увеличения частоты вращения ротора электрогенератора, ось ведущего зубчатого колеса связана соединительной муфтой с осью опорного колеса, а обгонные муфты со своими шестернями установлены на ось промежуточного зубчатого колеса, введенного в зацепление с шестерней, установленной на своей оси, выходной конец которой связан с валом ротора собственной соединительной муфтой, при этом оси ведущего зубчатого колеса, обгонных муфт и паразитной шестерни введены в общий корпус, закрепленный на опорной платформе, а для повышения удобства монтажа, увеличения и регулировки частоты вращения вала ротора электрогенератора, ось ведущего зубчатого колеса связана соединительной муфтой с осью опорного колеса, а обгонные муфты со своими шестернями установлены на промежуточную ось с выходным концом, при этом оси ведущего зубчатого колеса, обгонных муфт и паразитной шестерни введены в общий корпус, а между выходным концом общей оси обгонных муфт и валом ротора электрогенератора установлен вариатор и/или мультипликатор, корпуса которых закреплены на опорной платформе, или ось ведущего зубчатого колеса связана с осью опорного колеса соединительной муфтой, а обгонные муфты с их шестернями установлены на промежуточную ось с выходным концом, при этом оси ведущего зубчатого колеса и всех шестерен введены в общий корпус, а на их выходном конце оси установлен фрикционный конус или диск, с образующей которого введен в контакт подвижный ролик, сопряженный своим отверстием со шлицевым валом, соосным валу ротора электрогенератора и связанным с ним соединительной муфтой, при этом ролик введен с возможностью свободного вращения в вилку с параллельным его оси резьбовым отверстием, в которое введен параллельный шлицевому валу ходовой винт с индивидуальным приводом, а их корпуса закреплены на опорной платформе, а для повышения устойчивости поперечной установки люльки, опорные колеса выполнены коническими и установлены в опорах на опорной платформе, а дуговые секторы люльки выполнены с адекватными этому конусу наклонными опорными поверхностями, или опорные колеса шириной b установлены в опорах на опорной платформе с наклоном к ней на угол β и введены в контакт с опорными поверхностями боковых дуговых секторов, имеющих максимальный R и минимальный R радиус кривизны в вертикальной плоскости, а для уравнивания линейных скоростей вращения на торцах опорных колес при их контакте по радиусам R и R, эти колеса выполнены коническими с соотношением диаметров конуса D:D=2(R:R), адекватно наклону опорных поверхностей боковых секторов, такой же угол наклона β имеют оси опорных колес, соединительных муфт, установленных в общем корпусе осей ведущих зубчатых колес, связанных с ними муфт обгона, их шестерен, установленных на промежуточной оси, а также паразитных шестерен, установленных на своей оси, а для регулировки частоты вращения ротора электрогенератора, на выходе промежуточной оси закреплен фрикционный конус, образующая которого имеет угол β, а с ней введен в контакт подвижный ролик, сопряженный своим отверстием со шлицевым валом, соосным с валом ротора электрогенератора и связан с ним соединительной муфтой, этот ролик установлен с возможностью свободного вращения в вилке, имеющей параллельное оси ролика резьбовое отверстие, в которое введен параллельный шлицевому валу ходовой винт с такой же резьбой и индивидуальным приводом, а для уменьшения общего количества электрогенераторов, ось пары опорных колес, установленных на боковых сторонах опорной платформы, выполнена общей, а на ней закреплено общее ведущее зубчатое колесо, которое кинематически связано с валом ротора электрогенератора, а для увеличения потенциальной энергии люльки, в ней установлен дизель-генератор с топливным баком, а на валу ходового винта закреплена шестерня, с которой введено в зацепление зубчатое колесо, с возможностью его вращения от электродвигателя, питаемого электрическим током дизель-генератора, через связанную с валом ротора электродвигателя шестерню, которая введена в зацепление с упомянутым зубчатым колесом, а для повышения передаваемой мощности, оно имеет возможность вращения с разных сторон шестернями, связанными с валами роторов двух или большего количества электродвигателей, питаемых электрическим током в любых комбинациях от дизель-генератора и других электрогенераторов шлюпки, а для качания люльки с пассажирами при отсутствии качки шлюпки волнами, на стенах каюты и от ее потолка в проходах между креслами для пассажиров, закреплены ручки и опоры, с которыми пассажиры имеют возможность взаимодействия путем отталкивания и/или подтягивания, с возможностью передачи усилий от этого движения через свое тело спинке и сиденью кресла, связанного с люлькой.
Предлагаемая спасательная шлюпка с гидроволновым движителем и различные варианты ее исполнения показаны на чертежах.
На фиг.1 показан общий вид спасательной шлюпки, состоящей из корпуса 1, качающегося при килевой качке волнами и ветром на угол ±α, в котором установлена люлька 2 с сиденьями для пассажиров 3, с наклоном их спинок к корме (исполнение 1) или к носу шлюпки (исполнение 2), что более рационально для шлюпок гравитационного спуска, свободно сбрасываемых с борта судна. Для обеспечения хода шлюпки, она снабжена ДВС с приводным зубчатым колесом 4, которое вращает шестерню 5 вала 6 ходового винта 7. Для увеличения потенциальной энергии люльки, в ней размещены системы жизнеобеспечения пассажиров и все возможные грузы шлюпки.
п
з
п(з)
п(з)
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>п</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>з</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>п</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>з</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>−</mo></msubsup></mrow>
Торцы люльки созданы вертикальными дуговыми секторами 8, центры О которых совмещены с горизонтальной осью ее колебаний, расположенной поперек корпуса шлюпки, а основания 9 ее дуговых секторов радиуса R, направленные вдоль оси корпуса, установлены, с возможностью свободного дугового движения, на две пары опорных колес 10, оси 11 которых имеют возможность свободного вращения в опорах 12, закрепленных на опорной платформе 13, и кинематически связаны с электрогенераторами 14. Под действием веса Р, люлька обретает устойчивую ориентацию центра ее масс к центру Земли, и самоустанавливается горизонтально, а вес Р распределяется между передней (п) и задней (з) парами опорных колес с соответствующим давлением на них сил R, R, которые раскладываются на передние и задние вертикальные Y и горизонтальные Х составляющие силы и образуют в точках контакта с основаниями дуговых секторов правых и левых пар опорных колес окружные силы
,
, действующие по движению (+) или против движения (-) часовой стрелки.
Для смягчения ударов волн о корпус шлюпки, опорная платформа 13 установлена на демпфирующие ее от остова 15 корпуса шлюпки пружины 16, и/или рессоры, и/или гидравлические, и/или воздушные подушки в любых их комбинациях. Для ограничения дугового хода люльки при качке шлюпки, на концах дуговых секторов 8 установлены упругие ограничительные упоры 17, которые демпфируют контакт люльки со стенками каюты шлюпки в крайних ее положениях.
п
з
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mi>п</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mi>з</mi><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mi>п</mi><mo>−</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mi>з</mi><mo>−</mo></msubsup></mrow>
Принцип работы системы. При подъеме волной носа шлюпки 1, люлька 2, за счет действия сил тяжести Р, создающей давление оснований 9 ее дуговых секторов на передней R и задней R парах опорных колес 10, остается в горизонтальном положении, а корпус шлюпки относительно дуг люльки совершает поворот против часовой стрелки. Тогда опорные колеса 6 с осями 7, за счет действия окружных сил
и
, совершают вращение против часовой стрелки и, за счет их кинематической связи с закрепленными на основании опорной платформы 13 электрогенераторами 14, они приводят во вращение их роторы, что обеспечивает выработку ими электрического тока. При опускании носа и подъеме кормы шлюпки, действие окружных сил
и
ведет к обратному направлению вращения опорных колес и роторов электрогенераторов, и к выработке электрического тока противоположной полярности, что требует его преобразования и стабилизации инверторами или иными электронными или электромеханическими системами, после чего он может быть использован для питания систем жизнедеятельности шлюпки. Размещенные между опорной платформой 13 и остовом 15 шлюпки пружины 16 смягчают удары волн о корпус шлюпки, а упоры 17 - смягчают удары люльки о стенки каюты при чрезмерно больших углах качки шлюпки.
На фиг.2 показаны устройства для продольной фиксации люльки при ее загрузке пассажирами и при спуске шлюпки. На закрепленных в люльке 2 горизонтальных осях 18 установлены поворотные дуговые секторы-прихваты 19, нижние концы которых введены в контакт с остовом 15 корпуса шлюпки через общее окно 20 в остове и в опорной платформе 13, а верхние концы - через шарниры и промежуточные стержни 21 связаны с установленными на горизонтальных осях 22 поворотными рычагами через их нижние плечи 23, а верхние плечи 24 имеют возможность поворота пассажирами шлюпки против или по часовой стрелке для раскрепления или закрепления люльки с остовом корпуса шлюпки, при этом, для надежности крепления, ориентация дуговых секторов прихватов и их приводных рычагов принята противоположной.
Принцип работы системы, показанной на фиг.2. Продольная фиксация люльки 2 при ее загрузке пассажирами и при спуске шлюпки, обеспечена за счет предварительного ввода в контакт с остовом 15 корпуса шлюпки, через общее окно 20 в остове шлюпки и в опорной платформе 13, нижних концов поворотных дуговых секторов-прихватов 19, закрепленных с возможностью качания на горизонтальных осях 18 в люльке. Их раскрепление осуществляют пассажиры путем поворота верхних плеч 24 установленных с возможностью поворота на осях 22 рычагов 23, нижние плечи которых через шарниры и промежуточные стержни 21 связанных с верхними концами поворотных дуговых секторов-прихватов 19. Для фиксации люльки 2 при выгрузке из нее пассажиров, они выполняют поворот верхних плеч 24 рычагов 23 в обратном направлении, а для надежности крепления люльки, ориентация дуговых секторов прихватов, их приводных рычагов, а также движений пассажиров, принята противоположной.
На фиг.3 показан новый вариант исполнения шлюпки, у которой для дальнейшего увеличения энергетического потенциала, в люльке 2 установлен дизель-генератор 25 с топливным баком 26, а приводное зубчатое колесо 4, с которым введена в зацепление шестерня 5, связанная с валом 6 ходового винта 7, приводится во вращение шестерней 27, связанной с валом ротора главного электродвигателя 28 питаемого электрическим током от дизель-генератора. Вращение зубчатого колеса 4 возможно с разных сторон двумя или большим количеством шестерен 29, связанных с валами роторов двух или большего количества электродвигателей 30. Все эти электродвигатели питаются электрическим током в любых комбинациях от дизель-генератора и/или других электрогенераторов 12. Для входа-выхода пассажиров в шлюпку выполнены двери 31.
Принцип работы системы, показанной на фиг.3. Электрический ток, вырабатываемый установленным в люльке 2 дизель-генератором 25, питает главный электродвигатель 28, а вращение его ротора через шестерню 27 передается зубчатому колесу 4, с которым введена в зацепление шестерня 5 вала 6 ходового винта 7. По мере увеличения мощности, вырабатываемой электрогенераторами 14, они питают второй, а затем третий электродвигатели 30, которые через свои шестерни 29 передают вращение зубчатому колесу 4. Сохранение одинаковой полярности вырабатываемого электрогенераторами электрического тока и выравнивание его частоты обеспечивают электронные преобразователи (инверторы) или иные электромеханические системы. Подача электрического тока на все электродвигатели от электрогенераторов может осуществляться в любой комбинации.
На фиг.4 показаны различные варианты исполнений кинематической связи опорных колес 10, жестко закрепленных на осях 11 с возможностью их свободного вращения в опорах 12, установленных на опорной платформе 13 с установленными на ней по боковым сторонам электрогенераторами 14. При этом, для увеличения частоты вращения их роторов (исполнение 1), с осями 11 опорных колес 10 жестко связаны ведущие зубчатые колеса 32, с которыми введены в зацепление шестерни 33, установленные на валах 34 роторов электрогенераторов. Для исключения поперечного сдвига люльки при качке шлюпки, на основаниях дуговых секторов 9 выполнены реборды 35, и/или реборды могут быть выполнены на опорных колесах 10. Остальные элементы системы аналогичны показанным на фиг.1 и 3.
Для повышения удобства монтажа, ведущие зубчатые колеса 32 могут быть установлены на осях 36, которые связаны с осями 11 опорных колес 10 соединительными муфтами 37, а шестерни 33, введенные в зацепление с ведущими зубчатыми колесами, установлены на своих осях вращения 38, выходные концы которых связаны с валами 34 роторов электрогенераторов своими соединительными муфтами 39, при этом оси ведущего колеса и шестерни введены в общий корпус 40 (исполнение 2).
Для исключения реверса ротора электрогенератора (исполнение 3), с осью 11 опорного колеса 10, через соединительную муфту 37 связана ось 41 ведущего зубчатого колеса 42 с зубчатым венцом двойной ширины, а на промежуточной оси 43, выходной конец которой связан соединительной муфтой 39 с валом 34 ротора электрогенератора 14, установлены друг за другом две обгонные муфты 44 и 45, связанные с шестернями 46 и 47, из которых одна введена в зацепление с ведущим зубчатым колесом на первой половине ширины его зубчатого венца напрямую, а вторая - через зацепление с выступающей за зубчатый венец ведущего колеса 42 первой половиной ширины зубчатого венца двойной ширины паразитной шестерни 48, которая установлена на своей оси 49 и второй половиной ширины своего зубчатого венца введена в зацепление со второй половиной ширины зубчатого венца ведущего колеса. При этом оси ведущего зубчатого колеса, обгонных муфт с их шестернями и паразитной шестерни введены в общий корпус 50.
Принцип работы данных систем от предыдущих вариантов отличается увеличением частоты вращения валов 34 роторов электрогенераторов 14 за счет передачи вращения опорных колес 10 через их оси 11 ведущим зубчатым колесам 32, а от них - шестерням 33 и валам роторов. Для исключения их реверса при вращении опорного и связанного с ним ведущего зубчатого колеса 42 в разные стороны, первая обгонная муфта 44 вводит в зацепление связанную с ней шестерню 46 и вращает промежуточный вал 43, а связанная с зубчатым колесом через паразитную шестерню 48 вторая обгонная муфта 45 с шестерней 47 выводит ее из зацепления с промежуточным валом 43. При вращении ведущего зубчатого колеса 42 в другую сторону, зацепление обгонных муфт 44 и 45 с промежуточным валом 43 имеет противоположный характер, поэтому его вращение осуществляется через паразитную шестерню 48, что сохраняет его направление одинаковым с исходным. Соединительные муфты лишь облегчают сборку и несущественно влияют на работу системы.
На фиг.5 показаны новые варианты исполнений кинематической связи опорных колес 10, закрепленных на осях 11 и связанных соединительными муфтами 37 с осями 41 ведущих зубчатых колес 42, с валами 34 роторов электрогенераторов 14, для увеличения частоты вращения которых, обгонные муфты 44 и 45 с шестернями 46 и 47 установлены на ось 51 промежуточного зубчатого колеса 52, а оно введено в зацепление с шестерней 53, связанной с валом 34 ротора электрогенератора напрямую (исполнение 1), или через свою промежуточную ось 54 с соединительной муфтой 39 (исполнение 2). Другие элементы системы аналогичны показанным на фиг.4.
Для регулировки частоты вращения вала 34 ротора электрогенератора 14, обгонные муфты 44 и 45 с их шестернями 46 и 47 установлены на свою промежуточную ось 43, а между ее выходным концом и валом 34 ротора электрогенератора через соединительные муфты 39, 55 и 56, установлен вариатор 57 и/или редуктор-мультипликатор 58 (исполнение 3).
Для упрощения устройства регулировки частоты вращения вала 34 ротора электрогенератора 14, на выходном конце промежуточной оси 43 с муфтами 44, 45 и их шестернями 46, 47, установлен фрикционный диск 59, с образующей которого введен в контакт подвижный ролик 60, введенный своим отверстием в зацепление со шлицевым валом 61, соосным валу 34 ротора и связанным с ним соединительной муфтой 39. Ролик установлен с возможностью свободного вращения в вилку 62, с параллельным его оси резьбовым отверстием, в которое введен параллельный шлицевому валу ходовой винт 63 с индивидуальным приводом 64 (исполнение 4).
Для уменьшения количества электрогенераторов, на каждой из боковых сторон люльки пары опорных колес 10 связаны между собой общей осью 65, с одним закрепленным на ней ведущим зубчатым колесом 42, кинематически связанным с валом 66 ротора электрогенератора 67 (исполнение 5), мощность которого вдвое превышает мощность электрогенераторов 14, а для повышения поперечной устойчивости люльки, парные опорные колеса 10 выполнены коническими, с боковой поверхностью 68, и установлены на адекватную ей опорную поверхность основания 9 дуговых секторов (исполнение 6).
Принцип работы данных систем от предыдущих вариантов отличается увеличением частоты вращения валов 34 роторов электрогенераторов 14, за счет введения в кинематическую цепь дополнительного зубчатого колеса 52 и шестерни 53, или мультипликатора 58, что улучшает удельные массово-энергетические показатели электрогенераторов, а применение вариаторов 57 обеспечивает выравнивание частоты вращения их роторов. В упрощенной системе выравнивания частоты, на выходном конце промежуточного вала 43 установлен фрикционный диск 59, с которым введен в контакт ролик 60 с введенным в его отверстие шлицевым валом 61, связанным соединительной муфтой 39 с валом 34 ротора. Сдвиг ролика вдоль поверхности фрикционного диска обеспечивает вилка 62, в которой ролик установлен с возможностью свободного вращения, а в ее резьбовое отверстие введен ходовой винт 63 с индивидуальным приводом 64 от шагового электродвигателя.
В системе с общим валом 65 для пары опорных колес и одним ведущим зубчатым колесом 42, отличия вызваны лишь суммированием создаваемой мощности и адекватным увеличением размеров зубчатых передач, муфт и электрогенераторов 67. Работа системы в исполнении 6 от всех предыдущих отличается лишь увеличением осевых нагрузок при выполнении конических опорных колес, что компенсируется применение упорных подшипников.
max
min
max
min
max
min
max
min
На фиг.6 показан новый вариант исполнения кинематической связи опорных колес 10 с валом 34 электрогенератора 14, в котором для повышения поперечной устойчивости люльки 2, опорные колеса шириной b установлены с наклоном на угол β, а на них установлены дуговые опорные поверхности 9 люльки с опорными поверхностями 69, имеющими максимальный R и минимальный R радиус кривизны в вертикальной плоскости. При этом, для выравнивания линейных скоростей вращения на торцах опорных колес, контактирующих с радиусами R и R, эти колеса выполнены коническими с соотношением диаметров D:D=2(R:R), а угол β выполнен равным величине:
.
Такой же угол наклона β имеют оси 11 опорных колес, соединительные муфты 37, оси 41 ведущих зубчатых колес 42, связанные с ними обгонные муфты 44, 45 и их шестерни 46, 47, установленные на промежуточной оси 43, а также паразитные шестерни 48, установленные на оси 49 в корпусе 50. Для удобства размещения электрогенератора 14 на опорной платформе и для регулировки частоты вращения вала 34 его ротора, на выходном конце промежуточной оси 43 закреплен фрикционный конус 70, образующая которого имеет угол β, а с ней введен в контакт подвижный ролик 60, введенный своим отверстием в зацепление со шлицевым валом 61, соосным валу ротора электрогенератора и соединенным с ним соединительной муфтой 39. Этот ролик установлен с возможностью свободного вращения в вилке 62 с резьбовым отверстием, параллельным оси ролика, в которое введен параллельный шлицевому валу ходовой винт 63 с индивидуальным приводом 64. Выполнение конуса 70 с горизонтальным расположением его боковой поверхности за счет выбора угла β обеспечивает горизонтальное положение электрогенераторов 14, что упрощает монтаж системы,
Принцип работы данной системы не отличается от предыдущей с упрощенной регулировкой частоты вращения вала ротора электрогенератора 14. Отличия заключаются лишь в установке конических опорных колес 10, их осей 11, связанных с ними зубчатых передач и их валов под углом β, а также в установке на выходном конце промежуточного вала 43 фрикционного конуса 70 с таким же углом β при его вершине, что обеспечивает горизонтальную установку системы регулировки хода подвижного ролика 60 и связанного с ней электрогенератора. При этом величина угла β и параметры конических опорных колес и поверхностей 69 установленных на них опорных дуговых секторов 9 люлек, имеющих возможность дугового движения под действием волн, рассчитываются по предложенным расчетным зависимостям.
На фиг.7 показан новый вариант исполнения шлюпки, в корпусе 1 которого установлена люлька 2 с пассажирами. Для ее качания в отсутствие качки шлюпки волнами, на стенках каюты и от ее потолка в проходах между креслами для пассажиров, закреплены опоры 71 и 72, с которыми они имеют возможность взаимодействия посредством отталкивания и/или подтягивания руками, и передачи усилий от этого движения через свое тело спинке и сиденью связанного с люлькой кресла.
Принцип работы данных систем от предыдущих вариантов отличается возможностью раскачивания люльки 2 с пассажирами в отсутствие качки шлюпки волнами, за счет взаимодействия пассажиров с закрепленными на стенках каюты и от ее потолка в проходах между креслами опорами 71 и 72,с передачей этих движений через свое тело спинке и сиденью связанного с люлькой кресла.
Совокупность приведенных в данной заявке на изобретение признаков спасательной шлюпки является техническим решением, характеризующим устройство, которое не известно из существующего уровня развития техники, а его развитие в последующих вариантах исполнений объединено единством замысла. По сравнению с известными техническими решениями, в т.ч. с прототипом, изобретательский уровень имеет свободная установка люльки, имеющей основание в виде сектора цилиндрической формы, на опорные колеса, оси которых кинематически связаны с роторами электрогенераторов. Все предлагаемые конструкции спасательных шлюпок и составляющих их элементов имеют возможность промышленного изготовления и применения. Это признаки отвечают всем требованиям, характеризующим предлагаемые технические решения, как изобретения.
Все предложенные варианты конструкций спасательных шлюпок и их кинематических связей обеспечивают стабильную выработку электроэнергии в зависимости от частоты и амплитуды колебания ее корпуса волнами. При этом обеспечивается высокая мощность каждого генератора за счет большой массы грузов и окружных усилий, создаваемых ими на опорных колесах. Простота всех предложенных вариантов конструкций обеспечивает высокую надежность и эффективность их применения за счет использования энергии волн, которая является в данной системе дополнительной.
Реальные варианты исполнения предлагаемых спасательных шлюпок возможны на базе уже существующих конструкций, при любом их виде и размерах, лишь при дополнении их новыми техническими устройствами - пассажирскими люльками с торцовыми секторами и опорными дуговыми поверхностями на них, опорными платформами с закрепленными на них опорными колесами, на которые свободно установлены эти люльки, а оси опорных колес кинематически связанными с электрогенераторами типовыми соединительными муфтами, зубчатыми передачами с обгонными муфтами и вариаторами, что облегчает их выбор, проектирование и изготовление.
Пример конкретного варианта исполнения предлагаемой шлюпки рассмотрен на базе конструкции, показанной на фиг.3 и 4 в исполнении 3, с 4-мя электрогенераторами, введенными в зацепление с опорными колесами через оси, зубчатые колеса и шестерни, которые обеспечивают возможность исключения реверса ротора электрогенератора.
в
в
в
в
в
в
max
min
<mrow><msub><mi>λ</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mroot><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mi>в</mi></msub></mrow><mrow><mn>0,17</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>4</mn></msup></mrow><mn>3</mn></mroot><mtext> </mtext><mi>м</mi></mrow>
Считаем, что диапазон высот волн, которому противостоит шлюпка в шторм, составляет h от 1 до 6 м. Такие морские волны имеют длину между их гребнями
, или от 10,6 до 115,8 м, с периодом колебаний τ=0,8√λ, или от 2,6 до 8,6 с. При килевой качке корпуса шлюпки, периоды его качки будут одинаковыми с волновыми τ, а угол α наклона корпуса волнами относительно точки центра его тяжести составит: ±α≈±arctg(2h/λ), или от ±21,4° до ±11,8°, что позволяет принять максимальный угол качания шлюпки ±α=±22,5°, минимальный угол качания ±α=±12°.
Расчет конкретного исполнения предлагаемой системы выполнен на базе спасательной шлюпки фирмы "Ernst Hatecke", имеющей следующие параметры:
Тип
GFF 4,9 М
Пассажировместимость
15 человек
Материал
стеклопластик
Размеры (L×B×H)
4,99×2,39×3,23 м
Мощность двигателя
24 л.с. или 17,65 кВт
Максимальная скорость
6 узлов, или 3,1 м/с
При выполнении люльки в виде платформы, качающейся на опорных колесах радиуса 0,4 м по дуговым опорам радиуса R=3,5 м, ее масса с 16-ю креслами по 20 кг и 16-ю пассажирами по 80 кг, с размещенными под сиденьями кресел продуктами питания и водой, а под настилом люльки - дизель-генератором, его топливным баком, системой кондиционирования и обогрева воздуха, а также другим нормативным оснащением, необходимым для обеспечения жизнедеятельности пассажиров, составит величину m≈2,5 т.
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mrow><mi>п</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>л</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>±</mo></msubsup></mrow>
При установке люльки на 2 пары опорных колес (2×2), расположенных к ней под углом 45°, согласно схеме, показанной на фиг.1, окружные силы
на каждое опорное колесо составят величину:
.
max
min
max
min
При такой силе, радиусе, максимальном и минимальном углах качания ±α=±22,5°, ±α=±12°, окружной момент, являющийся энергетическим потенциалом E, E вращения одного опорного колеса, составит величину:
.
в
Развиваемая на одном опорном колесе мощность, при его вращении за период колебания волн τ составит величину:
.
Фактическая мощность каждого электрогенератора, с учетом их кпд и системы зубчатых колес ≈80%, составит величину:
gmin
pmin
N=ηN=0,80·0,73 (кВт) ≈ 0,58 (кВт).
gmax
pmax
N=ηN=0,80·4,5 (кВт) ≈ 3,6 (кВт).
max
min
х.д.
Для 4 электрогенераторов получим: 4N=14,4 кВт, 4N=2,3 кВт. Таким образом, по мере увеличения периода колебания волн и уменьшения их крутизны, что происходит при усилении шторма, развиваемая шлюпкой потенциальная энергия и мощность падает, что требует сохранения на ней ходового двигателя. Однако в данной шлюпке он заменен дизель-генератором, у которого, за счет компенсации снижения кпд системы электрогенератор-электродвигатель, мощность повышена с N=17,65 кВт до 25 кВт, что в сумме обеспечивает исходную мощность базового исполнения шлюпки:
х.д.
min
ΣN=N×0,8×0,8+4N×0,8=25×0,8×0,8+2,3×0,8=17,8 (кВт).
Данную мощность принимаем исходной, которую с интервалом в 3,5 кВт в соотношении 10,5:3,5:3,5 кВт реализуют 1 главный и 2 дополнительных электродвигателя, вращающих с 3-х сторон с помощью шестерен, связанных с их валами соединительными муфтами, общее зубчатое колесо, приводящее во вращение шестерню вала гребного винта.
min
-1
Получаемая данной гидроволновой системой минимальная мощность 4N=2,3 кВт сохранится даже при полном расходе топлива на второй день шторма, которой достаточно для поддержки всех систем жизнеобеспечения шлюпки, но она будет нарастать по мере затухания шторма, а при высоте волн 1…1,5 м - компенсирует полный расход топлива, обеспечив ход шлюпке на третий и четвертый дни шторма. При нарастании мощности, развиваемой при качке шлюпки, на 3,5 кВт адекватно ей подключаются электродвигатели последовательно и суммарно, что позволяет их эффективно использовать. Этим требованиям удовлетворяет синхронный генератор СГФ 4, имеющий мощность 4 кВт при частоте вращения 500 мин, наружный диаметр 350 мм в транспортном исполнении, приспособленном для работы при тряске, ударах и наклонах продольной оси, возникающих при качке шлюпки волнами.
Передаточное отношение качения люльки и опорного колеса составит:
p
p
i=2R/D=2·3,5 (м)/0,35 (м)=20.
min
min
-1
Тогда при минимальных поворотах люльки волнами на ±11,8° опорное колесо совершит поворот на 2×11,8°-20=472° за период τ=8,6 с, а за 1 минуту оно условно совершит n оборотов:
min
max
-1
При максимальных поворотах люльки волнами на ±22,5° опорное колесо совершит поворот на 2×22,5°-20=900° за период τ=2,6 с, а за 1 минуту оно условно совершит n оборотов:
г
1
-1
Для выбранного электрогенератора с частотой вращения n=500 мин, примем передаточное отношение ведущего зубчатого колеса и связанных с ним шестерен с обгонными муфтами, передающих вращение валу ротора электрогенератора, равным величине i:
1
1
2
При модуле зубьев m=2 мм, что обеспечивает требуемые условия прочности для передачи мощности 4 кВт, величину i позволяет обеспечить соотношение зубьев z=173 ведущего зубчатого колеса и z=20 шестерни. Делительные диаметры этого колеса и шестерен составят величины:
1
1
d=mz=2×173=346 (мм),
1
2
d=mz=2×20=40 (мм).
3
4
Данные величины диаметров приемлемы для опорного колеса диаметром 350 мм, но для шестерни с обгонной муфтой необходимо увеличить диаметр до 90 мм, что требует выполнения дополнительной пары из зубчатого колеса и шестерни между валом муфты и валом электрогенератора с передаточным соотношением 2,25:1, например, z=90 и z=40 при модуле m=2 мм.
1
2
3
4
Для уменьшения затрат на электрогенераторы, их количество с каждой стороны уменьшено до 1-го, связанного с общим валом пары опорных колес, что удваивает его мощность, при этом усилия, воспринимаемые зубчатыми передачами, возрастают в 2 раза, что требует увеличения модуля до m=4 мм и адекватного уменьшения количества зубьев z=86 и z=10, z=45 и z=20.
Такие параметры зубчатых передач и частот их вращения приемлемы для обеспечения удовлетворительной работы всей системы.
Расчет экономической эффективности предложенной шлюпки показал, что стоимость ее изготовления увеличивается на стоимость платформы и ее опор, разницы в стоимости базового ходового двигателя и дизель-генератора, 2-х электрогенераторов с системами опорных колес, валов, зубчатых передач и муфт, а также стоимости 3-х ходовых электродвигателей, которые можно суммарно оценить в 50 тыс. $, или в ¼ стоимости базовой шлюпки. Однако при этом повышается надежность и эффективность спасения ее пассажиров, поэтому данный эффект перекрывает дополнительные затраты и экономит средства на выплату страховок. Дополнительным эффектом также является устойчивое горизонтальное положение люльки с пассажирами при любой качке шлюпки, что уменьшает их укачивание и улучшает их физическое, а в результате этого - и моральное состояние.
Приведенные расчетные данные подтверждают целесообразность широкого внедрения предлагаемых шлюпок с гидроволновым движителем.
В настоящее время ведется подготовка к изготовлению предлагаемой шлюпки на АО "Херсонский судостроительный завод", Украина.