СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СТРУИ ДЛЯ СКОРОСТНОГО СУДНА НА ПНЕВМОПОТОКЕ ПОД ДНИЩЕ
METHOD OF OBTAINING ADDITIONAL PRESSURE OF A GAS-AIR JET FOR A HIGH-SPEED VESSEL ON A PNEUMATIC STREAM UNDER THE BOTTOM

Изобретение относится к области создания транспортных судов, использующих динамическую воздушную подушку, обладающих высокопроизводительным свойством компрессора на использовании импеллера, реактивная струя которого направлена для пневмоканала в виде сжатого воздуха под днище для создания подъемной и тяговой силы и может быть использовано, в частности, касается конструирования и управления судами на сжатом пневмопотоке предназначенного для передвижения по водной поверхности, мелководью, снегу, льду, траве, песку, заболоченной территории, поросшей мелкой растительностью, грунту, в особенности маломерных судов на воздушной подушке.
Известно амфибийное судно на сжатом пневмопотоке, создающем давление воздуха под днищем, днище выполняют из частей под различными углами, створку располагают на передней части корпуса, руль поворота, в кормовой нижней части корпуса непосредственно перед рулевым устройством днище выполняют с продольным уступом со срезом в сторону носовой части, с воздухозаборным каналом нагнетательного устройства в идее импеллера, воздух, из сопла которого подается под углом под днище судна, уступ размещают в нижней средней части кормы по центру днища, и образует два пневмомоканала с двух сторон между уступом, при этом за соплом импеллера дополнительно закрепляют подвижную горизонтальную перегородку на оси вращения для продолжения воздушного канала в сторону уступа со срезом, кроме того, к днищу в зоне уступа с пневмоканалами примыкания в закрытом положении к дну уступа, при этом на внешней стороне бортов судна закрепляют направляющие в виде выступов-открылок из двух соединенных между собой вертикальных пластин, одна из которых жестко закреплена к борту и является ограничителем против опрокидывания второй пластины на внешнюю сторону, причем вторая пластина имеет ось вращения с возможностью ее поворота и примыкания к скошенному участку нижней части борта судна в сторону днища и подпружинена относительно первой пластины, кроме того, руль поворота со щитком дополнительно содержит второй щиток, закрепленный шарнирно к первому, и подпружинен относительно первого щитка с возможностью его поворота в вертикальной плоскости (Патент RU №2552581, B60V 1/04, B60V 3/06 от 10.06.2015).
Однако данное техническое решение сложно в практической реализации, в частности, вр*первых, кормовая часть судна снабжена продольным уступом со стороны руля, который создает достаточно большое сопротивление навстречу воздушному общему потоку под днищем корпус, а это обеспечивает отклонение воздушных струй в сторону боковых скегов, часть потока струй стремится выйти через боковые скеги в сторону (в атмосферу), что обеспечивает потери скоростных характеристик судна в движении, а это ведет к раскачке судна из-за накопившейся под днищем судна большого количества объема сжатого воздуха. Кроме того, наличие по бортам корпуса судна направляющих пластин в виде выступов-открылок, вызывает усложнение конструкции и большое сопротивление судна на поворотах вправо или влево. Другим недостатком является то, что в результате их наличия происходит фонтанирование водовоздушного потока со стороны боковых сторон (скегов) корпуса, соответственно происходит залив части палубы его при скоростном движении судна, особенно это заметно на поворотах вправо или влево. Таким образом, эксплуатационные качества такого судна недостаточно реализуются, кроме того, все это в целом может послужить причиной тому, что большая часть сжатого воздуха выйдет непосредственно за борта скегов корпуса судна и не учитывает рост его объема воздуха от различной мощности, применяемого движителя (импеллера), при этом обеспечивает давление, но недостаточно полезную направленность как давление и тягу. Другим недостатком является то, что непредусматривает и неучитывает существенный признак, такой как создание, увеличение значений большой плотности газовоздушной смеси под днищем корпуса судна, а именно высокого давления в виде созданного отработанного горячего всего потока газа выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания для создания каверны водяного пара высокого давления.
Иначе говоря, в условиях ограниченной глубины фарватера на мелководье приводит к необходимости снижения расчетной осадки судна и, неизбежной потере его грузоподъемности. Кроме того, для указанного судна происходит недостаточное его эффективное подъем при движении в условиях особенно сильного волнения или при движении со значительным начальным дифферентом судна. В этих случаях создание дополнительной плазменно-паровой каверны водяного пара, смешиваясь со сжатым воздухом под днищем от самого импеллера корпуса судна, может привести подъемную силу и тягу даже выше, чем у известного аналога, где для судов малого и среднего тоннажа, изобретение приводит к усложнению конструкции днища корпуса и может быть в наших условиях экономически не эффективно.
Из известных способ и их устройств наиболее близким по технической сущности прототипом является устройство для реализации способа передвижения и управления транспортным средством на воздушной подушке, содержащем корпус с движительной установкой, создающей давление воздуха под днищем и двигающее судно, днище выполняют из частей, размещенных под различными углами и само днище, оборудуют боковыми скегами, при этом дополнительно оборудуют продольными напорными каналами, выполненными в виде полых труб из легкого алюминиевого сплава, активные сопла, а также уступ с переходным двухфазным соплом (Патент RU №2614367, B60V 3/06, B60V 1/04, В63В 1/38 от 24.03.2017).
Однако, несмотря на его широкие возможности, при управлении этим транспортным средством днище, во-первых, разделено уступом с переходным двухфазным соплом. Во-вторых, судно в движении использует часть сжатого воздушного потока из сопла импеллера через сквозные продольные напорные каналы, выполненными цельными по всей длине из легкого алюминиевого сплава. Другим недостатком является то, что отсутствует возможность практического использования одновременно высокой температуры непосредственно работающего двигателя внутреннего сгорания, соединяющего крутящий момент лопастей, в виде отработавшего всего газа через выхлопные трубы для поступления его в бортовые жесткие скеги под днище судна непосредственно в сторону днища корпуса и смешения его со сжатым воздухом, поступающего из сопла импеллера, когда дымовые газы горячие дополнительно создают каверну водяного пара, смешиваясь со сжатым воздухом, поступающего из сопла импеллера, а значит это, может, приводит подъемную силу и тягу выше, чем у прототипа для судов малого и среднего тоннажа, и в наших условиях это экономически оправдано. Иначе говоря, в этом случае гидравлическое сопротивление судна с гидравлическими кавернами под днищем корпуса в предложенном нами изобретении в зависимости от условий эксплуатации эффект снижения гидродинамического сопротивления судов с каверной может быть реализован предложенным способом, а это экономия топлива при выполнении того же объема транспортной работы, что и у известного судна, или за счет увеличения объема транспортной работы вследствие роста скорости хода судна с кавернами при неизменной мощности двигателя с работой импеллера, что выгодно отличает от прототипа.
Задача изобретения - упрощение конструкции, благодаря использованию способа в повышении экономичности, надежности и вовлечения одновременно в работу двигателя внутреннего сгорания с топливом, и вовлечение одновременно в работу лопастного винта в виде импеллера высокого давления в движении судна. При этом, поскольку температура выхлопных газов от работающего двигателя внутреннего сгорания обычно выходит в атмосферу с большой температурой, то всю ее необходимо затрачивать на тепловое использование для образования каверны водяного пара через выполненные насадки инжектируемой среды в продольных напорных каналов полых скегов, насадки которых выполняют удлиненными с возможностью их вертикального поворота относительно вертикальных боковых стенок скега в область воздушной подушки сжатого пневмопотока, т.е. улучшение ходовых характеристики и повышение быстроходности судна.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленных задач, выражается в том, что способ получения дополнительного давления газовоздушной струи для скоростного судна на пневмопотоке под днище, имеющим корпус с движительной установкой, создающей давление воздуха под днищем и двигающее судно, днище выполняют из частей, размещенных под различными углами, и само днище оборудуют боковыми скегами, при этом дополнительно оборудуют продольными напорными каналами, выполненными в виде полых труб из легкого алюминиевого сплава, согласно
изобретения продольные боковые напорные каналы соединяют в носовой части суда посредством трубы с источником горячего всего потока газа выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания для образования каверны водяного пара высокого давления, который связывают с выходом всего дымового газа через выполненные насадки инжектируемой среды, связанные через отверстия расположенные в продольных напорных каналов в виде полых скегов, концы которых со стороны кормовой части заглушены и насадки выполняют под углом удлиненными с возможностью их вертикального поворота относительно вертикальных внутренних стенок скегов для выхода горячего потока газа выхлопной трубы в область воздушной подушки сжатого пневмопотока, выходящего через сопло импеллера в пневмоканал под днищем судна, при этом под днищем судна образуется смешение разнородных активных сред высокого давления, выходящих в сторону сзади кормы, кроме того, работу двигателя совмещают с нагнетателем высокого давления в виде импеллера в режиме компрессора создающего газодинамическую струю высокого давления и выходящую из сопла импеллера.
Кроме того, насадки инжектируемой среды, закрепленные в отверстиях продольных напорных каналах под углом, выполняют съемными с возможностью изменения и фиксации их длины.
Соответственно, в предлагаемом способе устройства комплексного использования скоростного судна на пневмопотоке в движении и топливогорячего потока газа, выходящего из выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания топлива для образования каверны водяного пара высокого давления с выходом всего дымового газа через выполненные под углом отверстия в продольных напорных каналов в виде полых скегов, которые в конце заглушают, а насадки выполняют удлиненными с возможностью их вертикального поворота относительно вертикальных внутренних стенок скега, и которые могут быть съемными, обеспечивают смешение также газоводяного пара высокого давления со сжатым воздухом, полностью и в целом поступающего из сопла импеллера под днище корпуса судна. Этим решается поставленная задача в повышении эффективности, маневренности и скорости хода судна на пневмопотоке, используя при этом даровую полезную энергию газоводяного пара, и подъемная сила судна может увеличиваться до некоторой высоты из-за большого давления, соответственно, скорость также увеличивается до крейсерской.
Повышенное давление под днище судна, значительно больше, чем у известного прототипа, т.е. создает подъемную силу и тягу. Таким образом, скоростное судно стабилизируется по крену дифферента и высоте подъема над опорной поверхностью. В целом это снижает потери тяги скоростного судна в движении, вызывая резкое ускорение судна, что весьма гибко можно регулировать в движении данного судна, и в заданное время изменять его ход от максимального до минимального, с последующей остановкой. Кроме того, простота заключается в его широком использовании в практике маломерных судов на пневмопотоке.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявляемому способу изобретению, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано скоростное судно с устройством создания на сжатом пневмопотоке с двигателем внутреннего сгорания, вид сверху с вырезом в верхней части корпуса; на фиг. 2 изображено продольное сечение судна; на фиг. 3 показано судно на сжатом пневмопотоке, в котором используется импеллер, вид снизу, изометрия; на фиг. 4 - вид на кормовую часть судна с рулем; на фиг. 5 - фрагмент выполнения удлиненного насадка инжектируемой среды в виде дымового газа.
Предлагаемый способ содержит перемещаемое скоростное судно 1 на сжатом пневмопотоке. Используют импеллер 2 связанный через ось вращения с редуктором двигателя 3 внутреннего сгорания топлива. Двигатель 3 внутреннего сгорания снабжают выхлопными трубами 4 и 5 для отработанного топлива в виде горячего дымового газа и подсоединяют к концам напорных каналов 6 и 7 боковых скегов судна с выходными отверстиями и выполненные непосредственно в боковых стенках скегов 8 и 9 с отверстиями 10 в сторону полости открытого снизу пневмоканала 11. При этом в отверстия 10 под углом закрепляют прямые инжектируемой среды насадки 12 в виде сопел в сторону в область воздушной подушки под днище 13 с выходным каналом 14 корпуса судна 1 в кормовой его части. При этом насадки 12 выполняют удлиненными с соплами 15 в сторону воздушной подушки под днище 13 с коническим выступом 16 на внешней поверхности (фиг. 5). В связи с выделением большого количества горячего газа от двигателя 3 внутреннего сгорания, горячий газ заполняет в начале труб 4 и 5, далее поступает в каналы 6 и 7 скегов 8 и 9 в сторону воздушной подушки под днище 13, заполняемого сжатым воздухом, выходящего из сопла импеллера 2. Насадки 12 выполняют удлиненными с возможностью их вертикального поворота относительно вертикальных внутренних стенок скегов 8 и 9, которые имеют сопла 15 с коническим выступом 16 на внешней поверхности, форму которых назначают конструктивно при проектировании устройства с малыми размерами (варианты насадок с соплами в виде отверстий могут быть различными) для сообщения с водной толщей под днищем 13 судна и смешанной с воздушной подушкой, при этом образуются каверны водяного пара высокого давления за счет выхода всего дымового газа, т.е. образуется дополнительно каверна и поддерживает судно на определенной высоте и тягу с ограничивающими с боков скегами 8 и 9 и препятствующие уносу в сторону бортов скегов 8 и 9 судна 1. Высота скегов 8 и 9 принимается такой, чтобы весь образовавшийся газовоздушный и водяной потоки могли поступать только в выходной канал 14 сзади кормы между двумя рулями 17 и 18 для обеспечения управляемости скоростного судна на пневмопотоке. При этом каждый руль 17 и18 со стороны концов скегов 8 и 9 со щитками 19 и 20, ограничивают общий канал 14 выхода сжатого воздуха смешанного с выходом дымового газа от двигателя 3 внутреннего сгорания, в результате чего образуется один общий газовопаровой и водяной поток сзади кормы судна. Ось вращения рулей 17 и 18 соединяют сверху на палубе с регулируемыми тягами 21 и 22 и соединяют далее в одном узле 23 для соединения с тягой, управляемой экипажем. Напорные каналы 6 и 7 выполняют в виде полых скегов 8 и 9 из легкого алюминиевого сплава с установленными боковыми насадками 12 с соплами 15 и с коническими выступами 16 на внешней поверхности со стороны внутренней поверхности скегов 8 и 9. При этом насадки 12 выполняют удлиненными с возможностью их вертикального поворота относительно внутренних боковых стенок скегов 8 и 9 и съемными с возможностью изменения и фиксации их длины. Конструктивные размеры отверстий 10 и насадок 12 с элементами для инжектируемой среды зависят от мощности самого двигателя 3 внутреннего сгорания, вырабатывающего горячий дымовой газ высокого давления, соответственно и его выпуска для образования каверны водного пара высокого давления под днищем судна. При этом концы полых скегов 8 и 9 со стороны кормовой части заглушены.
Эксплуатацию скоростного судна на пневмопотоке осуществляют следующим образом.
При движении судна образуется напор сжатого воздуха под днищем судна от импеллера 2, а также дополнительно динамическое воздействие горячего газа, в сочетании поступающего от двигателя внутреннего сгорания при сжигании топлива, и поступления газа через трубы 4 и 5 в продольные напорные каналы 6 и 7 внутри боковых скегов 8 и 9 с отверстиями 10 и весь газ выбрасывается под большим давлением в расположенные под углом удлиненные насадки 12 с возможностью их вертикального поворота и выхода горячего потока газа выхлопной трубы с соплами 15 поверхность, которых выполняют с коническими выступами 16, причем горячий дымовой газ обязательно под углом подается в толщу воды, разогревает ее и превращает часть воды в пары высокого давления, которые затем смешиваются со сжатым воздухом от импеллера 2 непосредственно под днищем 13 судна, ограничено боковыми скегами 8 и 9 по длине до выхода сжатой струи потока в канал 14. Это позволяет тем самым повысить эксплуатационное качество скоростного судна на сжатом пневмопотоке с образованием каверны водяного пара высокого давления с выходом всего (общего) дымового газа с большой температурой кипения в контакте с водой между скегами 8 и 9, дает наиболее дополнительное поднятие судна над опорной любой поверхности. При этом участок разгона судна резко сокращается, например, на воде, снегу, льда и т.п.
Надежное управление скоростного судна на пневмопотоке создает лучшую маневренность экипажем судна, что является немаловажным для поддержания устойчивости и легкости управления с помощью рулевых тяг 21 и 22 управления тягой для экипажа при движении скоростного судна по воде, снегу, льду и земле. Кроме того, судно практически создает эффект экраноплана, увеличивающий подъемную силу за счет большого давления и реактивной тяги. В свою очередь снижение величины смоченной поверхности под днищем корпуса судна может уменьшить гидродинамическое сопротивление и увеличить скорость движения судна до 30-40% при минимальных около 2-3% затратах мощности двигателя.
Предлагаемое техническое решение способа устройства может быть использовано для маломерных судов на сжатом пневмопотоке, в результате повышается эффективность работы при создании быстроходных простых по конструкции судов с улучшенной управляемостью у данного судна.
Таким образом, данная совокупность предлагаемого технического решения способа устройства обладает хорошими ходовыми характеристиками скоростного судна на пневмопотоке, когда используют весь общий воздушный поток от импеллера и весь общий газовый горячий дымовой газ от двигателя внутреннего сгорания для создания поднятия над воздушной подушкой и реактивной тяги и повышения быстроходности вследствие роста скорости хода судна с кавернами при неизменной мощности двигателей.
Идея подачи сжатого воздуха под днище корпуса сама по себе не нова, известны уже патенты на суда, но сочетание с подачей одновременно всего горячего дымового газа высокого давления и образования каверны еще недостаточно известны для таких судов на сжатом певмопотоке, и которые ведут в наших условиях, экономически выгодны с предложенным новым техническим решением.
С началом движения судна и с подачей источника давления отработанного горячего потока газа выхлопной трубы в продольные напорные каналы скегов, далее через наклонные под углом и регулируемые насадки с соплами под днищевую открытую часть за счет резкого снижения полного гидродинамического сопротивления на эксплуатационных скоростях при практически постоянной мощности силовой установки, достигается существенный прирост подъема и тяги в скорости и реализуется эффект от образования каверны водяного пара. При этом конструктивно судно просто, свободно от недостатков в прототипе, не ведет к заметному снижению грузоподъемности и экономично, все это в целом улучшает мореходные характеристики и существенно улучшает эксплуатацию при движении судна даже в условиях волнения.
Совокупность признаков и степень раскрытия сущности способа устройства были достаточны для изготовления опытного образца судна на сжатом пневмопотоке с заданными параметрами предлагаемого способа изобретения. Успешно проведены производственные испытания судна, что позволяет судить о его применимости и практической полезности.