Движитель Ковалева И.С. для плавательного средства

Полезная модель относится к конструкциям движителей для надводного и подводного транспорта и может быть использована на пассажирских, транспортных, военных кораблях, подводных лодках, катерах, яхтах и торпедах.
Гребной винт является основным из созданных человеком движителей плавательных средств и позволяет перемещать по водной поверхности морей и океанов, занимающих 70% поверхности Земли, суда водоизмещением до нескольких сотен тысяч тонн. Тем не менее к.п.д. гребного винта недостаточно высок и имеет тенденцию к снижению при увеличении скорости движения судна. При работе гребного винта имеют место потери энергии, подводимой от двигателя. Это потери энергии на создание вызванных осевых скоростей или потери на ускорение потока в осевом направлении (в струе за винтом). Потери на создание вызванных окружных скоростей вследствие большой частоты вращения и действия центробежных сил, вызывающих перетекание воды по стенке лопастей гребного винта в радиальном направлении. Наиболее весомы профильные потери энергии на преодоление сил трения лопастей о воду и лобового сопротивления или сопротивления формы при их вращении. Имеют место и концевые (индуктивные) потери энергии при перетекании воды с нагнетательной поверхности с областью повышенного давления на всасывающую поверхность в область пониженного давления через край лопасти (1).
Известна, принятая в качестве прототипа, конструкция движителя плавательного средства (2), включающая поворотный вал с закрепленной на нем крыльчаткой центробежного насоса, а также кольцевой экран, выполненный в виде боковой поверхности усеченного конуса, ось которого совпадает с осью поворотного вала. В данной конструкции движителя кинетическая энергия потока воды, создаваемого центробежной крыльчаткой, используется более эффективно и к.п.д. данной конструкции движителя выше, чем к.п.д. гребного винта. Однако потери энергии в осевом и радиальном направлении с ускоренным потоком воды на выходе из внутреннего объема кольцевого экрана, так же, как и концевые потери, имеют место, что в итоге снижает величину к.п.д. движителя, конструкция которого принята в качестве прототипа.
Целью предложенной конструкции полезной модели является создание более эффективного и экономичного преобразователя механической энергии поворотного рабочего вала в кинетическую энергию плавательного средства с к.п.д. более высоким, чем у движителя, принятого в качестве прототипа.
Поставленная цель достигается в конструкции движителя для плавательного средства, включающей поворотный вал с закрепленной на нем крыльчаткой центробежного насоса, а также кольцевой экран, выполненный в виде боковой поверхности усеченного конуса, ось которого совпадает с осью поворотного вала, тем, что кольцевой экран выполнен с высотой усеченного конуса, превышающей диаметр большего основания и с углом между образующей боковой поверхности конуса и его осью, не превышающим 15 градусов.
Предложенная конструкция полезной модели поясняется схематическими чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид движителя, а на фиг. 2 представлен разрез А-А по фиг. 1. Предложенный движитель состоит из соединенного с кормой 1 судна кольцевого экрана 2, выполненного в виде боковой поверхности усеченного конуса, на оси которого размещена центробежная крыльчатка 3, закрепленная на поворотном валу 4.
Предложенный движитель работает следующим образом.
Вращением центробежной крыльчатки 3 создается принудительный радиально-концентрический поток воды, движущийся по окружности, который, взаимодействуя с кольцевым экраном 2, создает действием центробежных сил повышенное давление на внутренней поверхности кольцевого экрана 2, превышающее давление на наружной стороне стенки кольцевого экрана 2. Эта разность давления создает на поверхности конической стенки кольцевого экрана 2 силу F (фиг. 2), проекция которой на ось, параллельную оси экрана 2, крыльчатки 3 и оси поворотного вала 4 передается корме 1 корпуса судна и служит движущей силой Fдв (фиг. 2). Составляющая силы F, лежащая в плоскости, перпендикулярной оси кольцевого экрана Fок, вследствие кольцевой формы экрана 2 имеет вектор противоположного направления и взаимно компенсируется (уничтожается). В итоге равнодействующая всех сил Fок равна 0. Вращение центробежной крыльчатки 3 создает поток воды, который движется внутри конической стенки кольцевого экрана 2 по винтовой траектории (фиг. 2), что увеличивает длину траектории и время контакта потока воды со стенкой экрана 2, что дает более полную передачу кинетической энергии водного потока кольцевому экрану 2, соединенного с кормой 1 корпуса судна, и самому корпусу судна. В итоге создаваемое центробежной крыльчаткой 3 вращательное движение потока воды по окружности (фиг. 1 и 2) позволяет действием центробежных сил значительно увеличить давление на поверхность конической стенки кольцевого экрана 2 и, соответственно, величину движущей силы Fдв (фиг. 2). Выполнение кольцевого экрана 2 движителя в виде боковой поверхности усеченного конуса с высотой, превышающей диаметр большего основания, позволяет устранить профильные потери энергии каждого отдельного кольца и суммы этих потерь для всего набора колец, имеющих место в конструкции прототипа. Выполнение кольцевого экрана с углом 15 градусов между образующей боковой поверхности и осью усеченного конуса позволяет минимизировать потери энергии на преодоление сопротивления формы кольцевого экрана 2 при движении судна. Согласно (3) при изменении величины данного угла с 15 до 30 градусов коэффициент сопротивления возрастает с 0,35 до 0,61. В итоге к.п.д. предложенного движителя превышает к.п.д. движителя, представленного конструкцией прототипа.
Литература
1. https://cyberpedia.su/12x42f5.html. к.п.д. гребного винта. Физическая сущность потерь при работе гребного винта.
2. Ковалев И.С. Заявка на ПМ №2021126956 от 13.09.2021 г. класса МПК В63Н 1/14. Движитель плавательного средства.
3. Кутателадзе Теплопередача и гидродинамическое сопротивление (Справочное пособие), М.: Энергоатомиздат, 1990 г., стр. 351.