Волновой движитель многокорпусного судна
WAVE PROPULSOR OF MULTI-HULL SHIP

Изобретение относится к судостроению, в частности к средствам использования энергии морских волн для движения судна.
Из уровня развития техники известны волновые движители в виде глубоко погруженных крыльев, принцип действия которых основан на том, что их вертикальное движение от качки судна на волнении при определённых углах атаки формирует силу тяги. Г.Е. Павленко в 1935 г. предложил использовать крыло с переменным углом атаки, автоматически регулируемым пружинными ограничителями [Устройство для использования качки на волнении для передвижения судна, Авт. свид. 47562, МКИ В63Н 19/02]. Э. Якобсен предложил несколько аналогичных устройств, в которых угол атаки крыльев регулируется пружинами, гидроцилиндрами или упругостью самих крыльев, например [Волновой движитель для судов, патент СССР 946396, МКИ В63Н, 1982 г.]. В.В. Горшков предложил устанавливать крылья с различными степенями свободы, в оконечностях судна и на глубине, где волнение воды можно считать отсутствующим [Качеход и качеприводной движитель, Патент RU 2392177 С1 МПК B63H19/02, 2008 г.].
Недостатком таких устройств является то, что вертикальное движение подводных крыльев формируется не непосредственно волнением, а вследствие качки судна. То есть первичным приемником энергии волн служит корпус судна. Для формирования достаточной тяги судно должно интенсивно раскачиваться, а крылья должны располагаться на значительном заглублении. В результате эффективность движителя мала. Кроме того, возникают большие ускорения и перемещения при качке, удары волн в корпус, возможны повреждения подводных крыльев при ударах о дно на малых глубинах.
Известны также устройства для формирования пропульсивной силы напором, образующимся при заполнении водой резервуаров [Васильев В.Ю., Сенькин Ю.Ф. Волновой движитель судна, патент РФ 2035355 МКИ В63Н 19/02, 1990 г.] или каналов [Чикаренко В.Г. Устройство для уменьшения скорости дрейфа судна, патент РФ 2184047 МКИ В63Н 19/02, 2000 г.] с клапанами, открывающимися под действием давления волн. Недостатком таких устройств является их низкая эффективность как движителей, в результате чего они могут служить в большей степени лишь как успокоители качки.
Недостатком известных волновых движителей является низкая эффективность, а также наличие выступающих и подвижных частей, недостаточно надёжных при воздействии динамических нагрузок, особенно ударов волн в штормовых условиях плавания, а также вследствие обрастания и коррозии.
Наиболее близким к заявляемому решению является техническое решение по патенту Прокофьева В.В., Филатова Е.В., Чикаренко В.Г. и др. [Судовой волнодвижитель, патент RU 2528449 С2 МПК B63H19/02, 2011 г.], согласно которому волновой движитель представляет собой наклонную пластину, жестко закрепленную определенным образом между корпусами катамарана. Сила тяги судна на встречном волнении образуется за счёт наката волн на пластину, с последующим образованием пропульсивного импульса при падении волн с задней кромки пластины. Достоинством такого устройства является простота конструкции и отсутствие в нём подвижных деталей. Однако имеются и существенные недостатки, а именно: фиксированные длина и угол наклона пластины обеспечивают образование силы тяги в узком диапазоне параметров волнения; импульс тяги образуется только при сходе волны с задней кромки пластины, в остальное время встречная волна преимущественно создаёт силу, препятствующую движению вперёд; погруженная передняя часть пластины создаёт большое сопротивление движению. В результате эффективность волнового движителя низкая, причём в большом диапазоне курсовых углов, длин и высот волн судно будет дрейфовать только по ходу волн.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является способность эффективной работы волнового движителя на различных курсовых углах волнения, в широком диапазоне длин и высот волн, при обеспечении надёжности в условиях штормовых динамических нагрузок.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что устройство для преобразования энергии поверхностных морских волн в энергию поступательного движения судна не имеет подвижных частей и соединений и выполнено в виде соединительной конструкции (моста) между корпусами многокорпусного судна, отличительными особенностями которого является то, что устройство размещено над ватерлинией судна и имеет расположенные в ряд по длине поперечные полости, открытые снизу, при этом задняя стенка  каждой полости внизу вертикальная, вверху закругляется вперёд, а передняя стенка, вверху закруглённая, внизу имеет наклон в корму, вверху каждой полости выполнено щелевое отверстие, полости разделены на части продольными стенками, а  передняя верхняя часть моста имеет острую носовую кромку и наклонный участок палубы.
Технический результат изобретения состоит в увеличении эффективности преобразования энергии волн и повышении надёжности устройства волнового движителя, который достигается специальной формой элементов волнового движителя, размещением их по большой площади без подвижных соединений и выступов за габариты корпуса судна, уменьшением сопротивления движению судна путём размещения этих элементов выше ватерлинии. Новые существенные признаки позволяют обеспечить эффективное преобразование волновой энергии и формирование силы тяги в условиях широкого спектра параметров волн при различных курсовых углах.
Специальная форма полостей, а также передней и задней частей волнового движителя, обеспечивают их совместную работу таким образом, чтобы учесть переменный характер волновых потоков, их неоднородную структуру, разные направления, длину и высоту волн. Потоки, идущие снизу вверх при входе моста на гребень волны, попадают в полости и, поворачиваясь вперёд, ударяются в передние стенки полостей, создавая движущие импульсы. Затем, при сходе гребня волны, потоки направляются вниз и в корму, формируя реактивные пропульсивные импульсы. Встречные потоки гребней волн разрезаются передней острой кромкой моста и направляются по наклонной палубе, замедляясь и стекая вниз по щелевым отверстиям в полости, где отклоняются в корму, также образуя реактивную тягу. Встречные потоки на подошве волны относительно мало препятствуют движению судна, так как днище моста выходит из воды.  Попутные потоки гребней волн создают активные движущие импульсы давления на корму и передние стенки полостей.
На фигуре 1 изображено судно с продольным разрезом диаметральной плоскостью по волновому движителю (плоскость разреза является плоскостью симметрии). Устройство представляет собой соединительный мост 1 между корпусами 2 многокорпусного судна, имеющий: палубу 3; днище 4; поперечные полости 5, разделённые на части продольными стенками 6; щелевые отверстия 7. Каждая полость 5 имеет переднюю стенку 8 с наклоном в корму в нижней части и заднюю стенку 9 с наклоном в нос в верхней части. Палуба в носовой части имеет наклонный участок 10, образуя «пронизывающую» волны острую носовую кромку. Остальные участки палубы между щелевыми отверстиями также могут иметь небольшой наклон для ускорения стекания воды через эти отверстия. Кормовая часть моста 11 имеет форму, аналогичную форме передней стенки внутренних полостей. Днище моста располагается над поверхностью тихой воды, вблизи ватерлинии судна. Участки днища между полостями имеют небольшой наклон для уменьшения ударов о воду и сопротивления воды при движении судна.
На фигуре 2 изображена схема взаимодействия волнового движителя с набегающей встречной волной. Стрелками показаны векторы скорости основных потоков в районе полостей волнового движителя.
Устройство работает следующим образом.
При относительном движении волны снизу вверх происходит импульсное воздействие на днище 4 моста 1 и быстрое заполнение полостей 5, при этом результирующая гидродинамическая сила толкает судно – за счёт поворота потока в полости на плавном закруглении задней стенки 9 и динамического давления на переднюю стенку 8. При спаде волны формируется стекание воды по наклонной передней стенке 8 полости в сторону кормы судна, образуя реактивную пропульсивную силу. Поперечному растеканию воды препятствуют стенки 6. Гребни волн, идущие навстречу судну, свободно «пронизываются» острой передней кромкой моста, накатываются по наклонной поверхности 10 на палубу 3 и по щелевым отверстиям 7 стекают в полости 5, также перенаправляясь по наклонным стенкам 8 в корму, образую дополнительную силу тяги. При попутном волнении дополнительная толкающая судно сила образуется от динамического давления волн на кормовую часть моста 11 и на передние стенки полостей 8.
Эффективность волнового движителя при различных режимах волнения обеспечивается за счёт согласованного использования различных принципов преобразования энергии, формирования активных и реактивных движущих гидродинамических импульсов, возможности утилизации энергии волн на значительной площади, уменьшения сопротивления движению путём размещения устройства выше ватерлинии.
Возможность осуществления технического результата подтверждается результатами численного моделирования. На фиг. 3 представлены кадры процесса движения судна на встречном волнении. Результаты расчётов показали, что при входе в волну с дифферентом на корму скорость снижается, а при сходе с волны с дифферентом на нос скорость увеличивается. При движении на попутном волнении скорость судна существенно возрастает и в отдельные моменты «захвата» волной приближается к фазовой скорости волны. Увеличению эффективности движителя способствует уменьшение килевой качки, которое можно достичь с применением формы корпусов судна с малой площадью ватерлинии.