УСТРОЙСТВО ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДЛЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
WASTE GAS DISCHARGE DEVICE FOR WATER TRANSPORT FACILITY

Изобретение относится к устройству для уменьшения термосигнатуры транспортного средства, в частности водного транспортного средства.
В транспортных средствах, в частности водных транспортных средствах, например, корветах или фрегатах, энергия создается обычно посредством двигателей внутреннего сгорания, например, из дизельного топлива или газа. При сжигании образуются, как известно, горячие отработавшие газы. Они отдаются в окружающий воздух. За счет этого в воздухе возникают теплые зоны, а также, как правило, нагревается окружающее пространство, в которое выходит воздух. В результате в инфракрасном диапазоне очень легко обнаружить местонахождение транспортного средства.
Поэтому, как правило, предпринимаются попытки охладить поток отработавших газов, прежде чем он будет отдан в окружающее пространство, и, таким образом, уменьшить сигнатуру транспортного средства. в частности, это может иметь особое значение в случае сражения.
Из ЕР 1022445 А1 известна система выпуска отработавших газов с двумя, в основном, следующими друг за другом газопроводами.
Из US 4214441 известно охлаждение отработавших газов, при котором холодный воздух через отверстия и кольца подается в поток отработавших газов.
Из WO 2006/088437 А2 известно устройство выпуска отработавших газов с двумя соплами.
Из US 2009/139217 А1 известно устройство выпуска отработавших газов для автомобиля.
Из ЕР 1770249 А1 известен диффузор для отработавших газов.
Из US 2008/129053 А1 известно устройство для смешивания отработавших газов.
Из US 5826428 А известна горелка.
Недостаток этих систем в том, что они имеют, как правило, сравнительно большое аэродинамическое сопротивление, которое тормозит поток отработавших газов и создает ответную силу на двигатель или требует активной поддержки в газовом потоке.
Задачей изобретения является создание устройства для водного транспортного средства, которое обеспечивало оптимальные аэродинамическое сопротивление, охлаждение потока отработавших газов, экономичность и стабильность устройства и, тем самым, эффективное уменьшение термосигнатуры.
Эта задача решается посредством водного транспортного средства, охарактеризованного признаками п. 1 формулы. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы, нижеследующем описании и на чертежах.
Предложенное устройство выпуска отработавших газов для водного транспортного средства содержит первую трубу, причем по ней направляются горячие отработавшие газы. Первая труба имеет круглое или эллиптическое сечение, причем ее радиус может варьироваться в зависимости от высоты. Внутри первой трубы расположена вторая труба. Она закрыта внизу. Вторая труба имеет круглое или эллиптическое сечение, причем ее радиус может варьироваться в зависимости от высоты. Радиус первой трубы больше радиуса второй трубы. По второй трубе направляется окружающий воздух. Над второй трубой и внутри первой трубы расположено первое диффузорное кольцо. Чтобы отработавшие газы могли выходить из первой трубы, ее радиус при данной высоте больше радиуса второй трубы. Таким образом, возникает первый воздушный зазор, через который могут течь отработавшие газы, причем первый воздушный зазор имеет толщину, соответствующую разности радиусов первой и второй труб. Поскольку радиусы могут зависеть от высоты, также толщина первого воздушного зазора может зависеть от высоты. Преимущественно толщина первого воздушного зазора составляет, по меньшей мере, 3%, предпочтительно, по меньшей мере, 8%, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 15% радиуса первой трубы. Преимущественно толщина первого воздушного зазора составляет самое большее 80%, предпочтительно, по меньшей мере, 60%, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 35% радиуса первой трубы. Первое диффузорное кольцо имеет круглое или эллиптическое сечение. Радиус первого диффузорного кольца на соседней со второй трубой стороне больше радиуса второй трубы (20) на соседней с первым диффузорным кольцом стороне. В результате возникает зазор, так что горячие отработавшие газы текут не только наружу вокруг первого диффузорного кольца, но и попадают на его внутреннюю сторону. Таким образом, горячие отработавшие газы натекают на диффузорное кольцо с обеих сторон, причем отработавшие газы на внутренней стороне уже смешиваются с холодным окружающим воздухом, подаваемым по второй трубе.
Направляемый по второй трубе окружающий воздух служит для охлаждения потока отработавших газов в первой трубе. Чтобы достичь смешивания обоих воздушных потоков без достижения большого аэродинамического сопротивления, над второй трубой расположено диффузорное кольцо.
В другом варианте оси симметрии первой и второй труб совпадают.
В другом варианте вторая труба заострена на нижнем конце. Например, нижний конец второй трубы выполнен конусообразным.
В другом варианте вторая труба закруглена на нижнем конце. Например, нижний конец второй трубы полусферический. Такая форма присуща, например, также каплям и является особенно обтекаемой.
В другом варианте радиус первого диффузорного кольца может варьироваться в зависимости от высоты. Оси симметрии первого диффузорного кольца и второй трубы совпадают.
В другом варианте форма диффузорного кольца выбрана таким образом, что его внутренняя поверхность, по меньшей мере, местами проходит параллельно верхней периферийной поверхности второй трубы. Особенно предпочтительно только нижняя периферийная поверхность диффузорного кольца параллельна верхней периферийной поверхности второй трубы.
В другом варианте радиус первого диффузорного кольца возрастает снизу вверх. За счет возрастания радиуса возникает выпуклая форма диффузорного кольца, аналогичная в сечении крылу. Благодаря этому происходит усиление эффекта смешивания за счет диффузорного кольца. Возникает разность давлений между внутренней и внешней зонами диффузорного кольца. За счет выпуклой формы воздух течет по внутренней стороне быстрее, так что аналогично крылу самолета возникает меньшее давление. Благодаря этой разности давлений происходит эффективное всасывание окружающего воздуха из второй трубы внутрь диффузорного кольца без необходимости активной подачи воздуха во вторую трубу. Предпочтительно поверхность диффузорного кольца выпуклая. Особенно предпочтительно выпуклость внутренней и внешней поверхностей можно приблизить за счет квадратичных функций, причем функции отличаются друг от друга. Дополнительно для усиления первая труба может быть вогнутой, благодаря чему происходит дальнейшее возрастание давления во внешней зоне между первой трубой и диффузорным кольцом. Дополнительно это приводит к тому, что горячие отработавшие газы ускоряются между первой трубой и диффузорным кольцом. В результате за диффузорным кольцом образуется внешний кольцеобразный газовый поток на стороне стенки, который особенно ускорен. Благодаря этому при выходе газового потока из первой трубы возникает эффект, который схож с эффектом водоструйного насоса и приводит к равномерному смешиванию за счет подхвата окружающего первую трубу окружающего воздуха.
В другом варианте диффузорное кольцо закруглено на нижнем конце и заострено на верхнем конце.
В другом варианте радиус первой трубы при данной высоте больше радиуса диффузорного кольца. Таким образом, возникает второй воздушный зазор, через который могут протекать отработавшие газы, причем второй воздушный зазор имеет толщину разности между радиусами первой трубы и диффузорного кольца. Поскольку радиусы могут быть зависимы от высоты, также толщина второго воздушного зазора может быть зависима от высоты. Преимущественно толщина второго воздушного зазора составляет, по меньшей мере, 2%, предпочтительно, по меньшей мере, 5%, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 10% радиуса первой трубы. Преимущественно толщина второго воздушного зазора составляет самое большее 80%, предпочтительно, по меньшей мере, 60%, особенно предпочтительно, по меньшей мере, 35% радиуса первой трубы.
В другом варианте над первой трубой расположена третья труба. Она имеет круглое или эллиптическое сечение, причем ее радиус может варьироваться в зависимости от высоты. Радиус третьей трубы больше радиуса первой трубы. Оси симметрии первой и третьей труб совпадают. За счет использования третьей трубы происходит дальнейшее перемешивание горячих отработавших газов, которые перемешиваются с поступающим из внешнего окружения холодным воздухом и охлаждаются. Таким образом, происходит первое охлаждение в сердцевине за счет направляемого по второй трубе холодного воздуха и за счет подаваемого с внешней стороны холодного воздуха в третьей трубе.
В другом варианте над третьей трубой расположена четвертая труба. Она имеет круглое или эллиптическое сечение, причем ее радиус может варьироваться в зависимости от высоты, причем радиус четвертой трубы больше радиуса третьей трубы, причем оси симметрии третьей и четвертой труб совпадают. Третья труба может быть расположена частично внутри четвертой трубы. В качестве альтернативы или дополнительно третья труба может быть выполнена также суженной на верхнем конце. За счет дополнительного использования четвертой трубы большего диаметра между нею и третьей трубой образуется воздушный зазор, через который в поток отработавших газов подается окружающий воздух. Возникает вторая ступень смешивания с холодным окружающим воздухом для дальнейшего охлаждения отработавших газов. В одном варианте над четвертой трубой расположена еще пятая труба, радиус которой аналогичным образом больше радиуса четвертой трубы. Образуется дополнительный воздушный зазор, за счет которого может быть достигнуто дальнейшее перемешивание.
В другом варианте, по меньшей мере, три воздухоподвода расположены так, что они направляют воздух вне первой трубы внутрь второй трубы. Воздухоподвод может быть выполнен, например, в виде трубы. Через воздухоподвод холодный окружающий воздух может поступать во вторую трубу для охлаждения сердцевины потока отработавших газов без предварительного смешивания с ними. В то же время несколько, например, три, воздухоподвода создают лишь небольшое аэродинамическое сопротивление.
В другом варианте, по меньшей мере, три воздухоподвода служат для поддержания второй трубы. Чтобы удерживать вторую трубу внутри первой трубы, необходима опора. Если опора реализована воздухоподводом, то отпадает необходимость в других деталях, так что возникает меньшее аэродинамическое сопротивление.
В другом варианте воздухоподводы имеют каплевидное сечение. Это каплевидное сечение (внизу круглое и широкое, а вверху заострено) оптимизировано в отношении обтекания и приводит к тому, что поток отработавших газов испытывает минимальное аэродинамическое сопротивление.
В другом варианте, по меньшей мере, три воздухоподвода выполнены таким образом, что протекающий по первой трубе поток отработавших газов приводится, по меньшей мере, тремя воздухоподводами во вращение. Для этого воздухоподводы имеют отличающееся от вращательной симметрии сечение. В частности, сечение может быть аналогичным крылу и иметь, тем самым, верхнюю и нижнюю поверхности. При этом воздухоподводы расположены предпочтительно таким образом, что верхняя поверхность одного воздухоподвода является соседней с нижней поверхностью другого воздухоподвода, благодаря чему возникает круговое движение потока отработавших газов.
В другом варианте устройство выпуска отработавших газов содержит подающее устройство, причем подающее устройство выполнено для подачи воздуха через воздухоподводы. Помимо чисто пассивного режима, в котором за счет потока отработавших газов всасывается холодный окружающий воздух, последний может подаваться также активно. Благодаря этому происходит заметно более сильное охлаждение потока отработавших газов. Однако это имеет и некоторые недостатки. Во-первых, за счет дополнительного активно подаваемого количества газа возникает повышенное противодавление. Во-вторых, возрастают расходы и износ. Поэтому может быть предусмотрено, например, подающее устройство, которое, однако, в регулярном режиме подает неактивно и лишь при сражении активно подключается, чтобы в короткое время достичь максимального эффекта охлаждения.
В другом варианте над первым диффузорным кольцом и внутри первой трубы расположено второе диффузорное кольцо. Если устройство выпуска отработавших газов содержит третью трубу, то второе диффузорное кольцо расположено преимущественно между первым диффузорным кольцом и третьей трубой.
В другом варианте устройство выпуска отработавших газов содержит устройство для впрыска воды. Впрыск воды может осуществляться в одном или нескольких местах. Преимуществом впрыска воды является крайне эффективное охлаждение: во-первых, за счет очень высокой теплоемкости воды, а, во-вторых, за счет использования также сравнительно высокой энтальпии испарения. Однако недостатками являются высокие расходы и постоянное присутствие воды в зоне. Поэтому впрыск воды подключается преимущественно только в качестве опции, когда обязательно интенсивное охлаждение, например, при сражении.
В другом аспекте изобретение относится к водному транспортному средству с упомянутым устройством выпуска отработавших газов, предпочтительно речь идет о военном водном транспортном средстве.
В другом аспекте изобретение относится к способу эксплуатации устройства выпуска отработавших газов, причем устройство выпуска отработавших газов содержит подающее устройство для подачи воздуха и устройство для впрыска воды. Устройство может эксплуатироваться в четырех принципиальных эксплуатационных состояниях. В чисто пассивном режиме не происходит ни активной подачи воздуха, ни впрыска воды. В активном режиме происходит активная подача воздуха, но не происходит впрыска воды. В интенсивном режиме происходят активная подача воздуха и впрыск воды. Во влажном режиме происходит только впрыск воды, но не происходит активной подачи воздуха. Способ включает в себя на первом этапе задавание рабочих параметров. На втором этапе выбирается соответствующее рабочим параметрам эксплуатационное состояние.
Например, в качестве рабочего параметра задается простой переход. В этом случае преобладающими являются экономические соображения, так что выбирается пассивный режим. Если в качестве рабочего параметра выбирается контрольный рейс, то на длительный период времени следует поддерживать сигнатуру как можно меньшей, однако режим следует рассчитывать на максимально длительное время стоянки в море. Поэтому для такого случая выбирается активный режим. При сражении или обстреле минимизация сигнатуры является абсолютно первоочередной, так что в этом случае выбирается интенсивный режим.
Предложенное устройство выпуска отработавших газов более подробно поясняется ниже на примере его выполнения, изображенного на чертежах. На чертежах представлено следующее:
- фиг. 1: сечение первого устройства выпуска отработавших газов;
- фиг. 2: сечение второго устройства выпуска отработавших газов;
- фиг. 3: сечение третьего устройства выпуска отработавших газов;
- фиг. 4: сечение четвертого устройства выпуска отработавших газов;
- фиг. 5: схематичный вид пятого устройства выпуска отработавших газов;
- фиг. 6: схематичный вид пятого устройства выпуска отработавших газов под другим углом.
На фиг. 1 в сечении изображено первое устройство выпуска отработавших газов. Оно состоит из первой трубы 10, в которую снизу подаются горячие отработавшие газы и из которой вверху выбрасываются охлажденные отработавшие газы. В первой трубе 10 расположена вторая труба 20. Она закрыта внизу и открыта вверху. Поток горячих отработавших газов подхватывает холодный воздух из второй трубы 20. В качестве альтернативы или дополнительно из второй трубы 20 холодный воздух может подаваться также активно. Над второй трубой 20 расположено первое диффузорное кольцо 30.
На фиг. 2 изображено второе устройство выпуска отработавших газов, сопоставимое с первым. Единственное отличие в том, что первая труба 10 имеет вверху сужение, чтобы повысить скорость потока при выходе.
На фиг. 3 изображено третье устройство выпуска отработавших газов, которое дополнительно ко второму устройству содержит третью трубу 40. Предпочтительным образом третья труба 40 немного расширяется на своей нижней стороне, чтобы всасывать дополнительно больше холодного окружающего воздуха.
В качестве дополнительного выполнения на фиг. 4 изображено четвертое устройство выпуска отработавших газов, которое дополнительно к третьему устройству содержит четвертую трубу 50, причем третья труба 40 расположена частично в четвертой трубе 50. За счет этого на следующей ступени всасывается холодный окружающий воздух.
На фиг. 5 и 6 под разными углами изображено пятое устройство выпуска отработавших газов. Вторая труба 20 расположена внутри первой трубы 10 и снабжается холодным воздухом через три воздухоподвода 60. При этом холодный воздух может течь через воздухоподводы 60 пассивно или активно. Воздухоподводы 60 поддерживают вторую трубу 20 внутри первой трубы 10. Над второй трубой 20 расположено первое диффузорное кольцо 30.