Способ приведения в движение плавательного средства с подводной частью усечённой формы
METHOD FOR DRIVING FLOATING CRAFT WITH UNDERWATER PART OF TRUNCATED SHAPE

Изобретение относится к области водных движителей, воздействующих непосредственно на воду и корпус плавательного средства, не вращающегося типа.
Уровень техники:
Известен способ сообщения реактивного движения плавучим средствам (прототип) (Патент RU №2105697, Заявка №95103512/28 от 10.03.1995, В63Н 11/14, В63Н 19/06), в формуле которого предлагается для придания плавучим средствам реактивного движения использовать выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, установленного на плавучем средстве в качестве силовой установки, тогда как в п. 1 заявляемой формулы указано, с целью приведения в движение, маневрирования и торможения плавательного средства с подводной частью усеченной формы по крайней мере с одной стороны, учиняют подвод газа под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства (показано на фиг. 1).
Известен подводный движитель (Патент RU №2620037 от 14.12.2015, В63Н 1/30, В63Н 11/09), в формуле которого предлагается движущий импульс получать за счет формирования высокого и сверхвысокого давления на рабочей поверхности подводного движителя при помощи импульсного электрического разряда, тогда как в п. 1 заявляемой формулы указано, с целью приведения в движение, маневрирования и торможения плавательного средства с подводной частью усеченной формы по крайней мере с одной стороны, учиняют подвод газа под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства (показано на фиг. 1).
Известен СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО двигателя или движителя под водой (аналог) (Патент RU №2661633 от 09.11.2017, В63Н 11/14, В63Н 20/02), в формуле которого предлагается подавать воздух по преимущественно вертикальному каналу, за счет давления которого выгоняют воду из внутренней части корпуса движителя, запускают работу движителя при использовании альтернативной системы зажигания, после окончания работы движителя перестают подавать воздух через преимущественно вертикальный канал, заполняют указанный движитель водой, тогда как в п. 1 заявляемой формулы указано, с целью приведения в движение, маневрирования и торможения плавательного средства с подводной частью усеченной формы по крайней мере с одной стороны, учиняют подвод газа под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства (показано на фиг. 1).
Известен гибридный подводный движитель (Патент №2684340 от 04.06.2018, В63Н 1/30, В63Н 11/09, В63Н 11/04), в котором для создания тяги предлагается использовать подводные электрогидроударные установки, основанные на эффекте Юткина Л.А., тогда как в п. 1 заявляемой формулы указано, с целью приведения в движение, маневрирования и торможения плавательного средства с подводной частью усеченной формы по крайней мере с одной стороны, учиняют подвод газа под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства (показано на фиг. 1).
Раскрытие изобретения
Задачами заявляемого способа являются:
По п. 1 заявляемой формулы
- приведение в движение плавательного средства;
- маневрирование плавательным средством;
- торможение плавательного средства
с подводной частью усеченной формы по крайней мере с одной стороны, за счет учинения подвода газа под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства (показано на фиг. 1).
По п. 2 заявляемой формулы
- увеличение движущей силы, возникающей со стороны всплывающих газовых пузырьков на усеченную подводную поверхность плавательного средства за счет выполнения продольного оребрения поверхности подводной усеченной части плавательного средства по направлению всплытия газовых пузырьков (показано на фиг. 2).
По п. 3 заявляемой формулы
- увеличение движущей силы, возникающей со стороны всплывающих газовых пузырьков на оребренную усеченную подводную поверхность плавательного средства за счет ориентации направления вытесняемой воды, всплывающими газовыми пузырьками, преимущественно в направлении противоположном направлению желательного движения плавательного средства (показано на фиг. 3).
Незаявленные в формуле изобретения цели, но задачи, решаем в результате применения заявляемого способа:
1. Увеличение надежности плавательного средства за счет уменьшение количества подвижный частей, участвующих в движении плавательного средства.
2. Исключение травмоопасности людей и водоплавающих живых организмов от вращающихся гребных винтов.
3. Исключение потери хода плавательным средством из-за запутывания гребного винта различными притопленными предметами и растительностью.
4. Уменьшение потребления топлива для приведения в движение, маневрирования и торможения плавательного средства, с подводной частью усеченной формы по крайней мере с одной стороны, за счет отказа от использования гребного винта, имеющего низкий КПД от 30% до 50% (найдено в сети Интернет 07.10.2020
https://ru.wikipedia.ora/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B5%D0%B1%D0%BD%D0%BE%D0%B9%D0%B2%D0%B8%D0%BD%D1%82
Все указанные выше задачи решаются благодаря применения заявляемого способа.
Техническим результатом учинения подвода газа, например, воздуха под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства, является (в соответствии с п. 1 заявляемой формулы) приведение в движение, маневрирование и торможение плавательного средства с подводной частью усеченной формы, по крайней мере, с одной стороны. Данный технический результат возникает благодаря тому, что газовые пузырьки, например, воздушные принудительно подведенные, например, по воздушной трубке под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства, начинают всплывать в толще воды под действием выталкивающей Архимедовой силы и всплывая упираются в подводную часть усеченной формы плавательного средства, что приводит к изменению вертикальной траектории всплытия газовых пузырьков (показано на фиг. 4 и фиг. 5). В результате подводная усеченная поверхность плавательного средства начинает испытывать силу реакции со стороны всплывающих газовых пузырьков. Именно эта сила реакции и приводит к движению, маневрированию и торможению плавательного средства. На первый взгляд может показаться, что сила реакции со стороны всплывающих газовых пузырьков ничтожна, однако далее по тексту данного Описания будут приведены расчеты показывающие, что величина этого толкающего усилия может достигать десятков тонн в случае применения заявляемого способа.
Также техническим результатом применения заявляемого способа в соответствии с п. 2 заявляемой формулы является увеличение движущей силы, возникающей со стороны всплывающих газовых пузырьков, например, воздушных на усеченную подводную поверхность плавательного средства. Данный технический результат достигается за счет выполнения продольного оребрения поверхности подводной усеченной части плавательного средства по направлению всплытия газовых пузырьков (показано на фиг. 2). Такой технический результат от оребрения подводной усеченной части плавательного средства возникает благодаря следующему. Известно, что свободно всплывающий в толще воды пузырек газа раздвигает воду вокруг себя практически равномерно во все стороны на 360 градусов, а также над собой.
При всплытии под усеченной подводной поверхностью и касаясь ее газовый пузырек раздвигает воду над собой, а также в секторе 180 градусов, что представляется не совсем эффективным, т.к. желательно, чтобы всплывающий газовый пузырек вытеснял воду преимущественно в одном направлении, а именно, преимущественно в перпендикулярном направлении относительно подводной усеченной поверхности плавательного средства. Именно с этой целью в соответствии с п. 2 заявляемой формулы предлагается выполнять продольное оребрение поверхности подводной усеченной части плавательного средства по направлению всплытия газовых пузырьков (показано на фиг. 2).
Всплывая в желобе, ограниченном ребрами и касаясь их, газовые пузырьки вытесняют воду преимущественно над собой (перед собой), а также преимущественно в направлении перпендикулярном подводной усеченной части плавательного средства, что в свою очередь приводит к более полному переходу кинетической энергии всплывающих газовых пузырьков в движущую силу плавательного средства.
Также техническим результатом применения заявляемого способа в соответствии с п. 3 заявляемой формулы является увеличение движущей силы, возникающей со стороны всплывающих газовых пузырьков, например, воздушных на усеченную подводную поверхность плавательного средства. Данный технический результат достигается за счет ориентации направления вытесняемой воды, всплывающими газовыми пузырьками, преимущественно в направлении противоположном направлению желательного движения плавательного средства (показано на фиг. 3). В результате кинетическая энергия всплывающих в воде газовыми пузырьками частично будет тратиться на отбрасывание воды в направлении преимущественно противоположном желательному направлению движения плавательного средства. Возникающая при этом реактивная сила будет приводить к частичному увеличению движущей силы плавательного средства.
Сущность изобретения как технического решения заключается в следующем.
С целью приведения в движение, маневрирования и торможения плавательного средства в соответствии с п. 1 заявляемой формулой учиняют подвод газа, например, воздуха под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства (показано на фиг. 1).
С целью увеличения движущей силы, возникающей со стороны всплывающих газовых пузырьков на усеченную подводную поверхность плавательного средства, в соответствии с п. 2 заявляемой формулы выполняют продольное оребрение поверхности подводной усеченной части плавательного средства по направлению всплытия газовых пузырьков (показано на фиг. 2).
С целью увеличения движущей силы, возникающей со стороны всплывающих газовых пузырьков на усеченную подводную поверхность плавательного средства, в соответствии с п. 3 заявляемой формулы ориентируют направление вытесняемой воды, всплывающими газовыми пузырьками, преимущественно в направлении противоположном направлению желательного движения плавательного средства (показано на фиг. 3).
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 Иллюстрирует подвод газа, например, воздуха в нижнюю оконечность усеченной подводной части плавательного средства
Фиг. 2 Иллюстрирует оребренную подводную усеченную поверхность плавательного средства
Фиг. 3 Иллюстрирует оребренную подводную усеченную поверхность плавательного средства, накрытая изогнутым гидродинамическим экраном подводным либо надводным
Фиг. 4 Иллюстрирует вариант подвод сжатого газа, например, воздуха к нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства
Фиг. 5 Иллюстрирует вариант подвода сжатого газа, например, воздуха к нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства
Фиг. 6 Иллюстрирует экспериментальную модель плавательного средства, которая приводится в движение заявляемым способом
Фиг. 7 Иллюстрирует способ измерение силы тяги на гаке модели катера
Фиг. 8 Иллюстрирует эксперимент «Всплытие воздушных пузырьков под прозрачной
наклонной поверхностью»
Фиг. 9 Иллюстрирует деформацию воздушных пузырьков в результате всплытия под наклонной стеклянной поверхностью
Фиг. 10 Иллюстрирует реверс направления движения плавательного средства, использую заявляемый способ
Фиг. 11 Иллюстрирует омывание газовыми пузырьками подводной усеченной поверхности судна с одного борта
Фиг. 12 Иллюстрирует разворота судна на месте с использованием заявляемого способа
Фиг. 13 Иллюстрирует изменение курса судна во время хода
Фиг. 14 Иллюстрирует совокупную Архимедову силу всех газовых пузырьков, например, воздушных и ее проекции
Фиг. 15 Иллюстрирует мидель-шпангоут судна тип ролкер (RO-RO)
Фиг. 16 Иллюстрирует судно «Капитан Мезенцев» типа ролкер (RO-RO)
Фиг. 17 Иллюстрирует расчеты Движущей силы (толкающего усилия) для различных комбинаций исходных данных
Фиг. 18 Иллюстрирует центробежный компрессор «DENAIR DHC-300» и его характеристики
Фиг. 19 Иллюстрирует результаты эксперимента
Фиг. 20 Иллюстрирует проверочный расчет экспериментальных данных по формулам из раздела "Расчет Движущей силы…" (стр. 8 данного Описания). Толщина пузырькового слоя (h) рассчитана по формулам на стр. 12 данного Описания
Осуществление изобретения.
С целью приведения в движение, маневрирования и торможения плавательного средства с подводной частью усеченной формы по крайней мере с одной стороны, в соответствии с п. 1 заявляемой формулой учиняют подвод газа, например, воздуха под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства, показано на фиг. 1. На фиг. 4 и фиг. 5 показаны варианты подвода газа, например, воздуха под давлением по газовым трубкам, расположенным как с внешней стороны корпуса, так и с внутренней стороны корпуса плавательного средства.
Экспериментальная модель плавательного средства, которая приводится в движение заявляемым способом, приведен на фотографии (фиг. 6). В результате эксперимента было установлено, что указанное плавательное средство развивает скорость 0,046 м/с при следующих исходных данных:
1. Общий вес плавательного средства с балластом и воздушным компрессором = 880 грамм.
2. Угол усечения подводной части = 55 градусов.
3. Площадь подводной усеченной части, омываемой пузырьками воздуха = 104 квадратных сантиметров (длина 13 см, ширина 8 см).
4. Электрический воздушный компрессор потреблял при работе: 0,21 Ампер и 6 Вольт (1,26 Ватт).
При замере скорости плавательное средство перемещается равномерно и прямолинейно. Дополнительно была измерена сила тяги на гаке, которая составила 3,5 грамма. Измерение производилось электронными весами Selecline 845650/ЕС301. Схема эксперимента по замеру тяги на гаке изображена на фиг. 7.
Повторяемость эксперимента составила 100%.
Чтобы понять причину возникновения движущей силы, действующей на плавательное средство в результате применения заявляемого способа был проведен дополнительный эксперимент (показано на фотографии фиг.8) со следующими исходными данными:
1. Стеклянный сосуд высотой 20 см прямоугольного сечения 7 × 8 см с плоскими внутренними стенками заполнен водой, наклонен относительно одной из своих нижних граней на угол 30 градусов от вертикали и закреплен на горизонтальной поверхности.
1
1
2. По металлической трубке с внутренним диаметром 3 мм под давлением(Величина воздушного давления была достаточной для того, чтобы в толще воды образовывались воздушные пузырьки в непосредственной близости от внутренней нижней грани стеклянного сосуда, (параллельной горизонтальной поверхности), т.е. величина воздушного давления была выше чем давление воды на данной глубине.) на дно стеклянного сосуда подается воздух в районе приподнятой нижней грани стеклянного сосуда (грани, которая параллельна горизонтальной поверхности).
3. В результате учиненных условий эксперимента воздушные пузырьки всплывая, все время омывали одну из внутренних плоских стенок сосуда по всей высоте стеклянного сосуда, заполненного водой.
В результате эксперимента было установлено, что воздушные пузырьки всплывая под наклонной стенкой стеклянного сосуда прижимаются к этой стенке, деформируются и имеют явно выраженное пятно контакта с указанной стенкой (показано на фотографиях фиг. 9).
Наличие пятна контакта, наглядно свидетельствует о наличии силы реакции со стороны наклонной стенки стеклянного сосуда, т.е. при всплытии пузырек оказывает давление на наклонную стенку, под которой он всплывает, что приводит к деформации воздушного пузырька на всем этапе его всплытия.
В случае вертикального расположения стеклянного сосуда воздушные пузырьки во время всплытия перемещаются параллельно вертикальной стенке стеклянного сосуда и не имеют такой явно выраженной склонности к деформации, хотя незначительная деформация может быть во время случайных флуктуаций воздушных пузырьков во время их всплытия рядом с вертикальной стенкой. Также контакт со стенкой и возникновение незначительных деформаций воздушного пузырька возможен во время увеличения объема пузырька при понижении окружающего давления воды в результате всплытия воздушного пузырька при условии, что он в начале всплытия находился рядом со стенкой стеклянного сосуда.
Таким образом, из проведенных экспериментов можно сделать вывод, что на подводную усеченную поверхность плавательного средства все время будет действовать движущая сила со стороны всплывающих газовых пузырьков, которые омывают подводную усеченную поверхность плавательного средства.
На основе полученной информации также можно сделать и другие вывод, а именно, что величина движущей силы в основном зависит от:
- площади подводной усеченной поверхности плавательного средства, омываемой всплывающими газовыми пузырьками;
- толщины пузырькового слоя, омывающего усеченную подводную поверхность, которая в свою очередь зависит от производительности работы компрессора (кубических метров газа в минуту);
- угла наклона усеченной подводной поверхности, омываемой всплывающими газовыми пузырьками;
- расстояния от точки пузырькообразования до усеченной подводной поверхности - это расстояние должно быть минимальным.
- формы усеченной поверхности (плоская либо криволинейная);
- наличия на усеченной поверхности дополнительных направляющих плоскостей (ребер), систематизирующих движение всплывающих пузырьков в нужном направлении и исключающих возможность выталкивания воды в направлении перпендикулярном плоскости ребер.
Также можно предположить, что величина движущей силы зависит от:
- шероховатости подводной усеченной поверхности;
- плотности, вязкости, температуры и давления воды, окружающей подводную усеченную поверхность плавательного средства;
- удельной плотности, давления и температуры* газа, наполняющего всплывающие газовые пузырьки.
*Поэтому можно предположить, что наполнение пузырьков горячими выхлопными газами, например, от работающего двигателя внутреннего сгорания на борту плавательного средства, может быть целесообразным.
Для увеличения эффективности предлагаемого способа приведения в движение, маневрирования и торможения плавательного средства с подводной частью усеченной формы по крайней мере с одной стороны, газ, например, воздух следует подавать под давлением по всей длине нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства (показано на фиг. 10). Правило очень простое - чем больше площадь подводной усеченной части корпуса плавательного средства омывается всплывающими газовыми пузырьками, тем большее толкающее усилие будет действовать на плавательное средство. Так, например, если омывать газовыми пузырьками всю подводную усеченную поверхность с одного борта судна длиной несколько сот метров (показано на фиг. 11), то толкающее усилие на этот борт судна со стороны всплывающих газовых пузырьков может достигать нескольких десятков тонн (расчеты приведены далее по тексту данного Описания).
Подавать газ, например, воздух под давлением в область, находящуюся в непосредственной близости от нижней оконечности подводной усеченной поверхности плавательного средства можно по трубке с отверстиями (показано на фиг. 4), причем трубка может быть съемной и устанавливаться по мере необходимости. Важно, что элементы конструкции, подводящие газ под давлением в район непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства, не воспринимают на себя движущую силу и поэтому могут быть выполнены из легких и гибких материалов, например, резиновый шланг с рядом калиброванных отверстий. Движущую силу производят всплывающие газовые пузырьки, которые уже не соединены с подводящей воздушной арматурой.
Также газ под давлением можно подавать в область, находящуюся в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства, через ряд отверстий в корпусе плавательного средства, размещенных непосредственно в области нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства (показано на фиг. 5).
Как отмечалось выше, в качестве наполняющего пузырьки газа могут быть использованы горячие выхлопные газы двигателей, работающих на борту плавательного средства, в том числе и выхлопные газы двигателя, который приводит в движение воздушный компрессор, а также выхлопные газы маршевого двигателя судна, если используется комбинированная система движителей (традиционная - с гребным винтом и способ приведения в движение плавательного средства в соответствии с заявляемой формулой).
В качестве газа, например, можно использовать воздух, который при помощи воздушного компрессора по трубке закачивается при достаточном давлении в область, находящуюся в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства. Использование воздуха для целей настоящего изобретения несет в себе еще один положительный эффект, а именно в результате осуществляется принудительная аэрация водных ресурсов нашей Планеты. Это особенно полезно для тех водоемом, в которых уровень содержащегося в воде кислороде недостаточен для нормальной жизнедеятельности флоры и фауны указанных водоемов.
Т.к. в соответствии с п. 1 заявляемой формулы газ необходимо закачивать под воду в район непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства, то для этого необходимо избыточное давление (выше атмосферного давления), величина которого в свою очередь определяется глубиной размещения отверстий, из которых должны выходить пузырьки газа. Т.е. фактически необходимое давление газа определяется величиной осадки плавательного средства. Так, например, при осадке плавательного средства равной 1 метр, под термином «достаточное давление» для подачи газа на глубину 1 метр следует понимать давление более 0,097 атм (0,097 атм - это давление воды на глубине 1 метр, найдено в сети интернет 23.01.2021
https://www.translatorscafe.com/unit-converter/ru-RU/calculator/hydrostatic-pressure/).
При большей осадке плавательного средства величина «достаточного давления» должна быть пропорционально увеличена. Существующее атмосферное давление можно не учитывать, т.к. большинство воздушных манометров отградуированы на ноль атмосфер при нормальном атмосферном давлении.
Хотелось бы отметить, что предлагаемый способ может быть применен к плавательным средствам, изначально не имеющим движительной установки, например, баржи, понтоны, плавучие дома и аналогичные плавательные средства. Их перемещение в воде с использованием заявляемого способа не потребует серьезных капитальных вложений, но в результате переоборудования баржи, понтоны, плавучие дома и аналогичные плавательные средства приобретут маневровые качества.
Также предлагаемый способ может быть применен при швартовке крупногабаритных плавательных средств, например, с длиной корпуса более десятков метров и тем более для плавательных средств с длиной корпуса более сотен метров в том случае, если швартовку следует осуществлять при ограничении продольных маневров. Это возможно, т.к. предлагаемый способ позволяет осуществлять перемещения плавательного средства в направлении перпендикулярном диаметральной плоскости плавательного средства, т.е. в направлении правого или левого борта. Для этого учиняют подвод газа под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства по всему борту (правому или левому) плавательного средства. Для иллюстрации этого утверждения на найденном в сети Интернет рисунке судна были нарисованы газовые пузырьки (фиг. 11, рисунок судна найден в сети Интерне 29.01.2021 http://www.seaships.ru/passanger.htm).
Также предлагаемый способ может быть применен для разворота плавательного средства на месте. Для этого учиняют подвод газа под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства одновременно впереди плоскости миделя и позади плоскости миделя по разным бортам плавательного средства (показано на фиг.12, изображение судна найдено в сети Интернет 30.01.2021 https://community.sxnarod.com/996/pochemy-ledokol-i-ledorez-a-ne-ledoplav.html).
Также предлагаемый способ может быть применен для поворота плавательного средства во время его хода. Для этого учиняют подвод газа под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства, например, впереди и позади плоскости миделя плавательного средства по разным бортам плавательного средства, (фиг. 13).
Для получения оценки величины движущей силы предлагается следующий подход:
1. Движущая сила плавательного средства с подводной частью усеченной формы, по крайней мере с одной стороны обусловлена выталкивающей силой (Архимедовой силой), действующей на все воздушные пузырьки, находящиеся в этот момент под водой и соприкасающиеся с усеченной подводной поверхностью плавательного средства.
2. Величина Движущей силы определяется, как проекция Архимедовой силы на направление вектора скорости плавательного средства (фиг. 14).
Расчет Движущей силы от действия совокупной Архимедовой силы, действующей на все газовые пузырьки, например, воздушные, соприкасающиеся с подводной усеченной поверхностью
На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом.
В нашем случае погруженным телом являются все газовые пузырьки, находящиеся под водой и соприкасающиеся с подводной усеченной поверхностью плавательного средства.
Совокупный объем всех воздушных пузырьков (V) можно рассчитать по Формуле:
V=L × В × h, где:
L - Длина подводной усеченной части плавательного средства (м)
В - Ширина подводной усеченной части плавательного средства (м)
h - Толщина пузырькового слоя газа, омывающего подводную усеченную часть плавательного средства (м).
Расчет Архимедовой силы (А) в Ньютонах: Для упрощения вычислений будем считать:
3
1. Плотность воды = 1000 кг/м
3
3
2
2. Вес воздуха в воздушных пузырьках не учитывается А(Ньютон)=1000(кг/м) х V(m) х 9,8(м/с), где:
2
9,8 м/с - ускорение свободного падения
Расчет силы реакции подводной усеченной поверхности плавательного средства (R):
R=А × Cos (альфа), где:
альфа - угол между плоскостью подводной усеченной поверхности и горизонтальной плоскостью (показано на фиг. 14).
Расчет Движущей силы (F):
F=R × Cos (90 - альфа), где:
альфа - угол между плоскостью подводной усеченной поверхности и горизонтальной плоскостью (показано на фиг. 14).
В качестве примера и на основании вышеизложенных формул далее приводится расчет Движущей силы перпендикулярной диаметральной плоскости плавательного средства в результате применения заявляемого способа для приведения в движение плавательного средства с подводной частью усеченной формы, а именно для судна с горизонтальным способом погрузки. Такой тип судов называется ролкер (RO-RO). В частности, суда типа ролкер предназначены для перевозки грузов на колесной базе (автомобили, грузовой транспорт, железнодорожные вагоны). Принципиальное отличие данного вида судов заключается в горизонтальной загрузке/разгрузке через откидывающийся нос или корму («аппарель»), или с рампой на транцевой корме (найдено 07.10.2020 в сети Интернет https://ru.wikipedia.orq/wiki/%D0%A0%D0%BE%D0%BB%D0%BA%D0%B5%D1%80). Выбор судно типа ролкер для проведения расчетов обусловлен наличием у судов данного типа явно выраженной усеченной подводной части фиг.15 (найдено в сети Интернет 07.10.2020 «Основные элементы и качества судна», Лекция №1, 1. Основные элементы, стр. 33, рис. 35 найдено в сети Интернет 05.10.2020:
http://www.msun.ru/dir/kaf_tus/sources/LecturesTUS_1.pdf), причем угол усечения составляет 80 градусов по отношению к горизонтальной поверхности (измерено транспортиром по чертежу на фиг.15).
В качестве конкретного примера выбрано Советское судно ролкер-газотурбоход «Капитан Мезенцев» с рампой на транцевой корме для загрузки/выгрузки автотранспорта, фиг. 16 (найдено 07.10.2020 в сети Интернет https://seanews.ru/2020/04/02/ru-sovetskie-kontejnerovozy-gazoturbohody/). Из этого же источника известно, что длина судна «Капитан Мезенцев» составляла 227,3 м, а его осадка составляет - 9,87 м. При угле наклона подводной усеченной поверхности 80 градусов ширина подводной усеченной поверхности составит 10 м [9,87(м) / Sin(80)=10(м)]. Примем толщину воздушного слоя, омывающего подводную усеченную поверхность, например, равной 0,1 м. Тогда в результате расчета получается, что боковая толкающая сила на судно «Капитан Мезенцев» составит 380'932 Ньютонов или 39 тонн бокового толкающего усилия. «Толкающее усилие» также принято именовать «Сила тяги на гаке в швартовом режиме» или «Сила тяги на швартовых». Для сравнения, например, толкающее усилие швартового буксира «Союз» порта Санкт-Петербург составляет 29-34 тонны на гаке в швартовом режиме при мощности силовой установки буксира 2'300-2'520 л.с. (найдено 10.10.2020 в сети Интернет http://pilotservice.narod.ru/masters/TUGSWORK/tugswork.htm).
Таким образом, расчеты показывают, что заявляемый способ позволяет реализовать Движущую силу сопоставимую с силой тяги на гаке швартового буксира «Союз» порта Санкт-Петербург.
Для удобства все расчеты Движущей силы (толкающего усилия) сведены в таблице Excel и посчитаны для разных комбинаций толщины пузырькового слоя и угла альфа (показано на фиг. 17).
На основании выполненных расчетов можно сделать следующие выводы:
1. Максимальное значение Движущей силы реализуется при угле наклона подводной усеченной поверхности 45 градусов относительно горизонтальной плоскости.
2. Движущая сила практически обнуляется при вертикальном либо горизонтальном размещении подводной усеченной поверхности.
3. Величина Движущей силы существенно зависит от площади подводной усеченной поверхности плавательного средства, омываемой газовыми пузырьками.
4. Величина Движущей силы существенно зависит от толщины газово-пузырькового слоя, омывающего подводную усеченную поверхность плавательного средства, т.е. фактически зависти от производительности воздушного компрессора (куб.м/мин). Поэтому для снижения Движущей силы по заявляемому способу достаточно уменьшить интенсивность подачи газа в район непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства. Для повышения Движущей силы по заявляемому способу достаточно увеличить интенсивность подачи газа в район непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства.
Конечно, в этих расчетах есть некоторые допущения. Так, например, угол наклона подводной усеченной части принят постоянным по всему борту и равным 80 градусам, хотя это не совсем так и угол наклона подводной усеченной части в районе носа и кормы меньше, чем 80 градусов и приближается к 45 градусов, поэтому боковое толкающее усилие в районе носа и кормы судна должна иметь большие локальные значения. Как указано выше, расчеты показывают, что максимальная Движущая сила (толкающее усилие) возникает при угле наклона подводной усеченной поверхности 45 градусов по отношению к горизонтальной плоскости.
Также допущением можно считать, что толщина пузырькового слоя является постоянной по высоте подводной усеченной поверхности. На самом деле, пузырек, всплывая в толще воды, увеличивается в размере из-за снижения давления воды по мере всплытия. Поэтому принятая для расчета толщина пузырькового слоя равная 0,1 м является средним значением толщины пузырькового слоя по всей ширине подводной усеченной поверхности.
Также следует иметь в виду, что при расчете Архимедовой силы предполагалось, что весь пузырьковый слой состоит из воздуха, хотя на самом деле в пузырьковом слое между пузырьками воздуха находится вода. Поэтому для более точного расчета необходимо задаваться процентным соотношением доли воздушных пузырьков и воды в пузырьковом слое. Например, если задаться долей воздушных пузырьков в пузырьковом слое = 70 процентов, что эквивалентно толщине сплошного пузырькового слоя 0,07 м и провести расчеты по ранее описанному алгоритму, то величина бокового толкающего усилия будет равна 27,2 тоннам (результаты расчета приведен на фиг. 17). Полученная величина бокового толкающего усилия получилась чуть меньше, но близка к величине толкающего усилия швартовного буксира «Союз» порта Санкт-Петербург, которое составляет 29-34 тонны на гаке в швартовом режиме при мощности силовой установки буксира 2'300-2'520 л.с. (найдено 10.10.2020 в сети Интернет http://pilotservice.narod.ru/masters/TUGSWORK/tugswork.htm).
Расчет требуемой мощности воздушного компрессора для создания пузырькового слоя средней толщиной 7 см на подводной усеченной поверхности одного из бортов судна «Капитан Мезенцев»
1. Скорость всплытия воздушного пузырька в воде составляет 0,3 м/с (найдено в сети интернет 10.10.2020 «Ученые записки» стр. 69, рис. 3
http://www.rshu.ru/university/notes/archive/issue46/uz46-64-70.pdf
2. Время всплытия газового пузырька под подводной усеченной поверхностью скорее всего зависит от угла ее наклона, но т.к. укол наклона подводной усеченной поверхности на судне «Капитан Мезенцев» равен 80 градусов (показано выше, стр. 9 данного Описания, фиг. 15), что очень близко в 90 градусам, поэтому в первом приближении предлагается пренебречь этой зависимостью и считать, что скорость всплытия газовых пузырьков под усеченной подводной поверхностью равна 0,3 м/с.
Тогда время всплытия газового пузырька под подводной усеченной поверхностью с углом наклона 80 градусов и шириной (продолжительностью) 10 м составит: t=10(м)/0,3(м/с)=33,3 с
3. Расчет объема пузырькового слоя, который омывает подводную усеченную поверхность
V=L × В × h, где:
L - Длина подводной усеченной части судна «Капитан Мезенцев» - 227,3 м
В - Ширина подводной усеченной части судна «Капитан Мезенцев» - 10 м
h - Толщина пузырькового слоя, который омывает подводную усеченную часть судна «Капитан Мезенцев» для данного расчета равна 7 см (0,07 м).
Тогда:
V=227,3(м) × 10(м) × 0,07(м)=159,1 куб.м
4. Расчет требуемой производительности компрессора
N=V/t
N=159,1 (куб.м) / 33.3(c)=4,78 куб.м/с (286,7 куб.м/мин)
Причем, создаваемое давление компрессором, должно быть чуть более 0,968 бар, именно такое давление на глубине осадки судна «Капитан Мезенцев» (9,87 м), найдено в сети интернет 23.01.2021
https://www.translatorscafe.com/unit-converter/ru-RU/calculator/hydrostatic-pressure/
Т.е. для создания пузырькового слоя 7 см на подводной усеченной поверхности размером 223,7 м × 10 м необходим воздушный компрессор с производительностью 286,7 куб.м в минуту при давлении чуть более 0,968 бар. При этих условиях всплывающие воздушные пузырьки под подводной усеченной поверхностью (размером 223,7 м × 10 м) и углом наклона к горизонту 80 градусов будут создавать толкающее усилие 27,2 тонны. Для удобства все расчеты Движущей силы (толкающего усилия) сведены в таблице Excel и посчитаны для разных комбинаций толщины пузырькового слоя и угла альфа (показано на фиг. 17).
В сети Интернет (https://ru.denair.net/Centrifugal Compressor/167.html) 07.10.2020 найден центробежный компрессор «DENAIR DHC-300» (показан на фиг. 18), который обладает необходимой производительностью (производительность рассчитана в п. 4 раздела «Расчет требуемой мощности...» данного Описания). Технические характеристики центробежного компрессора «DENAIR DHC-300» также приведены на фиг. 18.
Рассчитаем Движущую силу (толкающее усилие), которое может быть реализовано при помощи центробежного компрессор «DENAIR DHC-300» на его половинной паспортной мощности для этого найдем средние арифметические значения между максимальным и минимальным значением для следующих технических характеристик центробежного компрессор «DENAIR DHC-300»:
Рабочее давление = (0,6 бар+16 бар) /2=8,3 бар
Производительность = (230 куб.м/мин + 330 куб.м/мин) / 2=280 куб.м/мин
Мощность (1320 л.с. + 2150 л.с.) / 2=1735 л.с.
Рассчитаем значение Движущей силы (толкающего усилия), которое будет реализовано центробежным компрессором «DENAIR DHC-300» при его половинной паспортной мощности 1735 л.с.с производительностью 280 куб.м/мин. и давлением 8,3 бар (хотя для закачки воздуха на глубину осадки судна «Капитан Мезенцев» (9,87 м) необходимо давление немногим более 0,968 бар, найдено в сети интернет 23.01.2021 https://www.translatorscafe.com/unit-converter/ru-RU/calculator/hydrostatic-pressure/).
Как было показано в п. 2 на стр. 10 данного Описания время всплытия газового пузырька под подводной усеченной поверхностью с углом наклона 80 градусов и шириной (продолжительностью) 10 м составит:
t=10(м)/0,3(м/с)=33,3 с
Следовательно, за время 33,3 секунды центробежный компрессор «DENAIR DHC-300» полностью закроет пузырьковым слоем газа всю подводную усеченную поверхность судна «Капитан Мезенцев».
Определим толщину пузырькового слоя для этого:
1. Определим объем пузырькового слоя
V = Производительность * t
V = ((280 куб.м/мин) / 60 с) * 33,3 с=155,4 куб.м
2. Определим толщину пузырькового слоя газа
h=V/S, где
V - Объем пузырькового слоя газа
S - Площадь подводной усеченной части судна «Капитан Мезенцев» с одного борта
S=(L*B), где
L - Длина подводной усеченной части судна «Капитан Мезенцев»=227,3 м (указано на стр. 9 данного Описания)
В - Ширина подводной усеченной части судна «Капитан Мезенцев»=10 м (указано на стр. 9 данного Описания)
h=V / (L*B)
h=155,4куб.м/ (227,3 м * 10 м)=0,0684 м (6,84 см)
Используя расчетные формулы на страницах 8 и 9 данного Описания вычислим толкающее усилие, которое будет равно 26,6 тонны. Для удобства все расчеты Движущей силы (толкающего усилия) сведены в таблице Excel и посчитаны для разных комбинаций толщины пузырькового слоя и угла альфа (показано на фиг. 17).
Необходимо отметить, что при расчете использовалось некоторое допущение, а именно при работе на половинной паспортной мощности центробежный компрессор «DENAIR DHC-300» развивает давление 8,3 бар, хотя для закачки на глубину осадки судна «Капитан Мезенцев» (9,87 м) необходимо давление немногим более 0,968 бар.
Важно отметить, что рассчитанная величина толкающего усилия 26,6 тонны реализуемая центробежным компрессором «DENAIR DHC-300» потребовало мощности 1735 л.с., тогда как при такой же мощности швартовный буксир «Союз» реализует тягу на гаке в швартовом режиме всего 21,87 тонны, т.е. на 4,73 тонны меньше, чем толкающее усилие, реализуемое по заявляемому способу.
Расчет:
2300 л.с.** - 29 тонн
1735 л.с. - Х тонн
Х=(1735 л.с.* 29 тонн) / 2300 л.с. = 21,87 тонн
**Технические характеристики швартовного буксира «Союз» порта Санкт-Петербург (29-34 тонны на гаке в швартовом режиме при мощности силовой установки буксира 2'300-2'520 л.с., найдено 10.10.2020 в сети Интернет http://pilotservice.narod.ru/masters/TUGSWORK/tugswork.htm).
Такое сильное различие (около 22%) в толкающем усилии при равной потребляемой мощности 1735 л.с. между заявляемым способом приведение в движение плавательного средства (26,6 тонны) и швартовным буксиром «Союз» (21,87 тонны) можно объяснить большими потерями мощности движительной установки швартовного буксира «Союз» из-за низкого КПД гребного винта (30%-50%, источник информации указан в п. 4 на стр. 2 данного Описания), а также из-за потерь на кавитацию при быстром вращении гребного винта, а также потерями на трение во всех опорах вала гребного винта, тогда как в заявляемом способе все эти потери отсутствуют.
Вывод:
В умиротворяющем процессе всплытия в водной среде газовых пузырьков (например, воздушных) заключена огромная сила, которую можно использовать, применяя заявляемый способ (описано выше в данном Описании), например, для швартовки боротом крупногабаритных судов и в других целях (описано на стр. 7 и 8 данного Описания).
Осуществление заявляемого изобретения по п. 2 заявляемой формулы проиллюстрировано на фиг. 2. Цель использования продольного оребрения подводной усеченной поверхности плавательного средства по направлению всплытия газовых пузырьков заключается в увеличении Движущей силы, возникающей со стороны всплывающих газовых пузырьков на усеченную подводную поверхность плавательного средства.
Увеличение Движущей силы со стороны всплывающих газовых пузырьков на оребренную усеченную подводную поверхность плавательного средства происходит в результате следующего.
Известно, что свободно всплывающий в толще воды пузырек газа раздвигает воду вокруг себя практически равномерно во все стороны вокруг себя на 360 градусов, а также над собой (перед собой).
При всплытии под усеченной подводной поверхностью и касаясь ее газовый пузырек раздвигает воду над собой (перед собой), а также в секторе 180 градусов вокруг себя, что представляется не совсем эффективным, т.к. желательно, чтобы всплывающий газовый пузырек вытеснял воду преимущественно в одном направлении, а именно, преимущественно в направлении перпендикулярном подводной усеченной поверхности плавательного средства. Именно с этой целью в соответствии с п. 2 заявляемой формулы предлагается выполнять продольное оребрение поверхности подводной усеченной части плавательного средства по направлению всплытия газовых пузырьков (показано на фиг. 2).
Всплывая в желобе, ограниченном ребрами и касаясь их (показано на фиг. 2) газовый пузырек вытесняет воду преимущественно над собой (перед собой), а также преимущественно в направлении близком к направлению перпендикулярному подводной усеченной поверхности плавательного средства (показано на фиг. 2), что в свою очередь приводит к более полному переходу кинетической энергии всплывающего газового пузырька в Движущую силу.
Для проверки данной гипотезы подводная усеченная поверхность (длина 13 см, ширина 8 см) макета плавательного средства была выполнена как оребренной, так и для сравнения, не оребренной. Результаты эксперимента приведены на фиг. 19.
Также был выполнен проверочный расчет экспериментальных данных (приведен на фиг. 20) по формулам из раздела "Расчет Движущей силы…" на стр. 8 данного Описания. Толщина пузырькового слоя (h) рассчитана по формулам на стр. 12 данного Описания.
В результате эксперимента удалось установить:
1. Сила тяги на гаке плавательного средства с оребренной усеченной подводной поверхностью составила 4 грамм, что на 14,3% больше, чем у плавательного средства с неоребренной усеченной подводной поверхностью (3,5 грамм). Вывод: Оребрение усеченной подводной поверхности позволяет увеличить Движущую силу, получаемую в результате применения заявляемого способа.
2. Скорость плавательного средства с оребренной усеченной подводной поверхностью составила 0,038 м/с, что на 17% ниже, чем с не оребренной усеченной подводной поверхностью (0,046 м/с) несмотря на то, что сила тяги на гаке больше на 14,3%. Это можно объяснить бОльшим донным сопротивлением плавательного средства с оребренной поверхность во время движения. Скорее всего донное сопротивление может быть уменьшено в результате использования компрессора с большей производительностью.
Вместе с тем повторяемость эксперимента носит 100% характер.
Проверочный расчет (приведен на фиг. 20) показал, что теоретически рассчитанная сила тяги на гаке равная 7,7 грамм почти в два раза больше, чем экспериментально полученная (3,5 грамм). Это можно объяснить малыми масштабами эксперимента, когда измеряемые величины близки к величинам погрешности измерительных инструментов, а также недостаточной мощностью воздушного компрессора, который не обеспечивал существенной толщины пузырькового слоя, хотя бы на уровне несколько миллиметров.
Осуществление заявляемого изобретения по п. 3 заявляемой формулы проиллюстрировано на фиг. 3.
Известно, что, всплывая в водной среде газовый пузырек, в том числе, выталкивает воду над собой (перед собой). Это обстоятельство также можно использовать для частичного увеличения Движущей силы по п. 3 заявляемой формулы, а именно, предлагается ориентировать направление вытесняемой воды, всплывающими газовыми пузырьками, преимущественно в направлении противоположном направлению желательного движения плавательного средства (показано на фиг. 3). Для этого, например, можно оребрение по п. 2 заявляемой формулы закрыть сверху изогнутым гидродинамическим экраном подводным либо надводным (показано на фиг. 3), который направлял бы вытесняемую воду над (перед) газовыми пузырьками преимущественно в сторону направления противоположного направлению желательного движения плавательного средства. Сориентированная таким образом вытесняемая вода будет истекать в направлении, показанном на фиг. 3 верхним рядом стрелок. Нижний ряд стрелок показывает преимущественное направление вытеснения воды всплывающими газовыми пузырьками в сторону от себя, которое происходит одновременно с выталкиванием воды над перед газовыми пузырьками, т.е. выталкивание воды всеми всплывающими пузырьками происходит одновременно в направлениях, показанных нижним и верхним рядом стрелок.
В результате применения способа, описанного в п. 3 заявляемой формулы, кинетическая энергия всплывающих в воде газовых пузырьков частично будет тратиться на отбрасывание воды в направлении преимущественно противоположном желательному направлению движения плавательного средства. Возникающая при этом реактивная сила будет приводить к частичному увеличению Движущей силы.
Описание эксперимент для проверки п. 3 заявляемой формулы.
Для проверки данной гипотезы подводная оребренная усеченная поверхность (длина 13 см, ширина 8 см) плавательного средства была выполнена с подводным изогнутым гидродинамическим экраном (показано на фиг. 3). Именно установка подобного изогнутого гидродинамического экрана сверху оребренной усеченной поверхности в воде либо над водой позволяет ориентировать направление вытесняемой воды, всплывающими газовыми пузырьками, преимущественно в направлении противоположном направлению желательного движения плавательного средства, как указано в п. 3 заявляемой формулы.
Результаты эксперимента приведены в таблице на фиг. 19. В результате эксперимента удалось установить:
1. Сила тяги на гаке плавательного средства с установленным изогнутым гидродинамическим экраном над подводной усеченной оребренной поверхностью на 28,6% больше, чем у плавательного средства с не оребренной подводной усеченной поверхностью и на 12,5% больше, чем у плавательного средства с оребренной подводной усеченной поверхностью. Вывод: В результате ориентирования направление вытесняемой воды, всплывающими газовыми пузырьками, преимущественно в направлении противоположном направлению желательного движения плавательного средства достигается технический результат, выраженный в увеличении Движущей силы, как указано в п. 3 заявляемой формулы.
2. Скорость движения плавательного средства с установленным изогнутым гидродинамическим экраном над подводной усеченной оребренной поверхностью также выше, чем у плавательных средств с не оребренной и оребренной подводной усеченной поверхностью.
Влияние надводного изогнутого гидродинамического экрана на величину Движущей силы не проверялась, но несложно предположить, что его влияние было бы сильнее, т.к. скорость отбрасываемой назад воды в этом случае был бы выше. Как известно реактивная сила определяется произведением массового расхода рабочего тела (в нашем случае это вода) на скорость истечения рабочего тела. Другими словами, отбрасывание воды в воздух происходит с большей скоростью, чем отбрасывание воды в воду, следовательно и прирост Движущей силы был бы больше.
Повторяемость эксперимента носит 100% характер.
Правда, скорость всплытия газового пузырька достаточно невелика: около 0,3 м/с в зависимости от размера газового пузырька (найдено в сети интернет 10.10.2020 «Ученые записки» стр. 67 рис. 2 и стр. 69 рис. 3)
(http://www.rshu.ru/university/notes/archive/issue46/uz46-64-70.pdf).
Следовательно, и скорость вытеснения воды над (перед) газовым пузырьком в направлении преимущественно противоположном желательному направлению движения плавательного средства, по всей видимости, будет сопоставима со скоростью всплытия (перемещения) газовых пузырьков. С другой стороны, небольшие скорости движения плавательного средства востребованы при:
- маневрировании плавательного средства
- развороте плавательного средства на месте
- швартовке плавательного средства бортом
- перемещении плавательного средства в направлении перпендикулярном диаметральной плоскости плавательного средства
Во всех вышеуказанных случаях применение заявляемого способа особенно эффективно.
Так, например, предлагаемый способ может быть применен при швартовке крупногабаритных плавательных средств, например, с длиной корпуса более десятков метров и тем более с длиной корпуса более нескольких сотен метров в том случае, если швартовку следует осуществлять при ограничении продольных маневров. Это возможно, т.к. предлагаемый способ позволяет осуществлять перемещения плавательного средства в направлении перпендикулярном диаметральной плоскости плавательного средства, т.е. в направлении правого или левого борта. Для этого учиняют подвод газа под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства по всему борту (правому или левому) плавательного средства (показано на фиг. 11).
Также предлагаемый способ может быть применен для разворота плавательного средства на месте. Для этого учиняют подвод газа под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства впереди плоскости миделя плавательного средства и одновременно с этим позади плоскости миделя плавательного средства, но по разным бортам плавательного средства (показано на фиг. 12).
Также предлагаемый способ может быть применен для поворота плавательного средства на ходу. Для этого учиняют подвод газа под давлением, достаточным для образования газовых пузырьков в толще воды в непосредственной близости от нижней оконечности усеченной подводной части плавательного средства на ходу плавательного средства впереди плоскости миделя плавательного средства и одновременно с этим позади плоскости миделя плавательного средства, но по разным бортам плавательного средства (показано на фиг. 13).