ПЛАВНИКОВЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ

Полезная модель относится к судовым движителям с колебательным движением, например движители в форме рыбьего хвоста, и может быть использована при конструировании и строительстве навесных движителей для маломерных прогулочных, спасательных и спортивных надводных судов (катера, лодки, включая надувные с транцем, катамараны и т.п.). Такие движители принято называть плавниковыми.
В настоящее время существует большое количество технических решений, в которых делается попытка имитации движений водоплавающих для придания поступательного движения судов и называемых плавниковыми движителями. Анализ существующих патентов на плавниковые движители позволяет обнаружить общее в их устройстве, а именно, наличие двух связанных узлов, один из которых узел управляемого привода, а другой собственно плавник / хвостовой плавник. Эти узлы монтируются на некотором основании (корпусе), образуя цельную конструкцию. Назначение привода - преобразование первичного вида энергии в кинетическую энергию колебательного движения плавника, который, в свою очередь, будучи помещенным в воду, преобразует часть своей кинетической энергии в энергию поступательного движения судна, на котором размещен плавниковый движитель.
Большинство известных движителей, называемых плавниковыми, включают хвостовой плавник / плавник, ориентированный в пространстве вертикально, в попытке подражать рыбам, или ориентированный в пространстве горизонтально в попытке подражать китообразным морским животным. В качестве плавника предлагается рассматривать тело типа крыла, имеющего в плане прямоугольную форму. Такой плавник считается жестким. Как альтернатива жесткому плавнику предлагаются плавники, для которых важной характеристикой является упругость и гибкость. Такие плавники будем называть гибкими. Для сравнения двух типов плавников как преобразователей энергии, был изготовлен электромеханический привод с маломощным двигателем постоянного тока на 12В, способный создать колебательное движение плавника, и два плавника одинаковых по форме и размерам в плане, но один из них жесткий, а другой упругий и гибкий. Привод с каждым из плавников монтировался на макете лодки. Наблюдались скорость движения лодки и мощность, потребляемая приводом от аккумуляторной батареи. Результаты наблюдений показывают, что гибкий плавник позволяет получить скорость движения макета лодки более чем в 3 раза большую, чем жесткий плавник при одинаковой мощности, подводимой к электродвигателю. Следовательно, гибкий плавник преобразует энергию своего движения в энергию поступательного движения макета лодки существенно лучше, чем жесткий плавник.
У движителей с вертикальным плавником в качестве существенного недостатка отмечают появление рыскания у судна при работе движителя. Известно устройство с двумя жесткими вертикально ориентированными плавниками, при одновременном движении которых рыскание можно практически исключить за счет согласования движений плавников запатентованным приводом (патент RU №2284945 В63Н 1/36, В63В 1/30, B63G 8/08, опубликовано: 2006.10.10). Однако уже отмечен существенный недостаток жестких плавников по сравнению с гибкими плавниками. Поэтому совершенствование плавниковых движителей с вертикально ориентированным плавником целесообразно, в первую очередь, осуществить заменой жесткого плавника на гибкий плавник с последующим поиском технического решения, позволяющего уменьшить или вообще исключить рыскание судна с работающим плавниковым движителем.
Известно устройство плавникового движителя (патент SE №20070000849 В63Н 1/36, опубликовано: 2007.04.04), которое можно рассматривать как прототип предлагаемой полезной модели. Прототип включает узел управляемого привода, узел хвостового плавника и основание для их совместного размещения, упомянутые узлы имеют кинематическую связь между собой. В прототипе предлагается гибкий плавник ориентировать в пространстве горизонтально. По мнению автора, только так можно устранить рыскание судна. Это мнение основано на том, что автор, по его признанию, не видит значимых сил способных препятствовать рысканию судна. В то время как при работе горизонтально ориентированного плавника, появление килевой качка может быть уменьшено за счет действия силы Архимеда и силы притяжения Земли. Однако с силой Архимеда не все так просто, так как она относится к, так называемым, восстанавливающим силам. Если восстанавливающая сила оказывает существенное влияние на движущийся объект и при этом еще есть периодическая вынуждающая сила или периодическое кинематическое возбуждение, то движение объекта естественно должно быть колебательным Движение горизонтально ориентированного плавника как раз является источником периодического кинематического возбуждения, поэтому нельзя исключать возможности появления килевой качки и нежелательного резонанса.
Задачей предлагаемой полезной модели является устройство узла хвостового плавника плавникового движителя, которое позволит значительно уменьшить, а в идеале исключить, рыскание / килевую качку судна, вызываемую работой плавникового движителя, размещенного на нем.
Приведенные рисунки иллюстрируют различные аспекты предлагаемой полезной модели и позволяют раскрыть ее суть.
Фиг.1 - устройство узла хвостового плавника плавникового движителя согласно предлагаемой полезной модели.
Фиг.2 - иллюстрация колебательного движения составляющих узла хвостового плавника согласно предлагаемой полезной модели в течение одного периода колебаний;
Фиг.3 - схематическая иллюстрация судна и навесного плавникового движителя с вертикально ориентированным узлом хвостового плавника согласно предлагаемой полезной модели;
Фиг.4 - схематическая иллюстрация судна и навесного плавникового движителя с горизонтально ориентированным узлом хвостового плавника согласно предлагаемой полезной модели;
Наблюдая за движением рыб и дельфинов можно заметить, что вместе с хвостовым плавником движется и часть хвоста, более того, движение от хвоста передается хвостовому плавнику. Движение гибкого хвостового плавника и движение части хвоста согласованы так, что у рыб рыскание оказывается малозаметно или вообще отсутствует. Что касается гибкости хвоста водоплавающих существ, то она присутствует, но заметно меньше чем у плавника. В связи с этим становится целесообразным включение в техническое устройство узла хвостового плавника плавникового движителя нового элемента, воспроизводящего часть хвоста, через который передается движение хвостовому плавнику. На фиг.1 представлен один из множества вариантов исполнения предлагаемого технического решения, позволяющий показать его новизну и раскрыть возможности в уменьшении рыскания судна, а в идеале и устранение рыскания. Устройство узла хвостового плавника включает тело хвоста 1, гибкий хвостовой плавник 2, вал 3. Тело хвоста 1 жестко соединено с гибким хвостовым плавником 2, причем это соединение может быть разъемным. Вал 3 жестко связан с телом хвоста 1, причем и это соединение может быть разъемным, и предназначен для крепления этого узла в основании (корпусе) так, чтобы придать ему нужную ориентацию в пространстве, и для обозначения оси вращения хвостового плавника. Тело хвоста 1 объемное, имеющее утонение в той части, в которой осуществляется его соединение с хвостовым плавником. Поверхность тело хвоста 1 обтекаемая. Связь узла хвостового плавника с основанием (корпусом) на фиг.1 обозначена схематически двумя цилиндрическими шарнирами. Как будет показано далее, упомянутая связь с основанием осуществляется с помощью кронштейна для обеспечения жесткости в ориентации вала 3 и всего узла хвостового плавника относительно основания.
1
2
Для описания работы узла хвостового плавника и выявления достоинства предлагаемого технического решения воспользуемся рисунком фиг.2, на котором изображена последовательность положений занимаемых телом хвоста и гибким плавником в течение одного периода колебаний тела хвоста. Подобное можно наблюдать в реальности. Фиг.2 отображает то, что перед нами система двух тел, каждое из которых совершает вращательное движение. У каждого вращательного движения есть кинематическая характеристика - угловая скорость, обозначаемая буквами ω и ω, соответственно. Уже здесь можно обратить внимание на то, что угловые скорости тела хвоста и гибкого плавника большую часть времени в течение периода колебаний разнонаправлены. Так как мы пытаемся наблюдать движение материальных тел (тело хвоста, хвостовой плавник), то необходимо обращать внимание на динамические характеристики движения. Для нас интерес представляет такая динамическая характеристика как момент количества движения. Отметим то, что сумма моментов количества движения тел, входящих в состав системы, является динамической характеристикой для системы тел как целого, что принципиально дает возможность говорить о вращении системы тел (тело хвоста, хвостовой плавник) как целого относительно оси вращения обозначаемой валом 3 на фиг.1. Именно этим вращением можно объяснить появление рыскания у судна, на котором установлен работающий плавниковый движитель с вертикально ориентированным плавником.
Была отмечена разнонаправленность угловых скоростей тела хвоста и хвостового плавника в предлагаемом техническом решении устройства узла хвостового плавника. Из этого наблюдения следует то, что момент количества движения системы тел как целого можно уменьшить, а при удачном сочетании массогабаритных характеристик тела хвоста и хвостового плавника с характеристиками движения этих тел можно вовсе обнулить его, и тем самым полностью исключать рыскание судов применяющих плавниковый движитель с вертикально ориентированным хвостовым плавником.
Предлагаемая полезная модель устройства узла хвостового плавника была опробована на работающей модели, схематически изображенной на фиг.3. Электромеханический привод, узел хвостового плавника предлагаемого устройства монтировались на основании с кронштейном, что позволяло получившуюся конструкцию использовать как навесную для макета лодки, причем плавник был ориентирован вертикально. Конструкция узла хвостового плавника предусматривала возможность замены одного гибкого хвостового плавника на другой. Поэтому были изготовлены 5 вариантов гибкого хвостового плавника из стеклопластика, отличающиеся друг от друга размерами и гибкостью Испытание макета проводились в бассейне в условиях, когда рыскание макета лодки можно однозначно связать только с работой плавникового движителя. В процессе каждого испытания изменялась мощность, подводимая к электроприводу, от нуля до максимума, что приводило к увеличению частоты колебательного движения тела хвоста передаваемого гибкому хвостовому плавнику. При малых частотах колебаний рыскание макета судна визуально наблюдается, но по мере увеличения частоты колебаний рыскание уменьшается и можно обнаружить, что есть пороговое значение частоты колебаний тела хвоста, при котором рыскание макета судна визуально НЕ наблюдается. Для каждого из сменных гибких хвостовых плавников упомянутое пороговое значение частоты - свое.
Реализован был также плавниковый движитель с горизонтально ориентированным узлом хвостового плавника 5-ю вариантами гибкого хвостового плавника. Испытание макета лодки с таким движителем, схематически изображенной на фиг.4, проводились также в бассейне в условиях, когда килевая качка макета судна можно однозначно связать только с работой плавникового движителя. Результаты наблюдений за килевой качкой при горизонтально ориентированном узле хвостового плавника аналогичны наблюдениям за рысканием при вертикально ориентированном узле хвостового плавника.
Не смотря на то, что испытания проводились с гибким хвостовым плавником, имеющим плоскую геометрическую форму, предлагаемое техническое решение в качестве одного из исполнений предполагает, что гибкий хвостовой плавник имеет пространственную геометрическую форму. Кроме того, в заявляемом техническом решении под словом "вал" подразумевается любое устройство позволяющее:
- монтировать узел хвостового плавника на основании, придавая ему вертикальную или горизонтальную ориентацию в пространстве;
- обозначать ось вращения узла хвостового плавника.
На фиг.3 и фиг.4 использованы следующие обозначения:
4 - модель лодки (судна);
5 - узел хвостового плавника;
6 - основание (корпус) с узлом управляемого привода;
7 - кронштейн основания (корпуса);
8 - рычаг.
В обоих случаях реализованных макетов плавникового движителя для иллюстрации его целостности приходится выделять кронштейн 7 у основания (корпуса) плавникового движителя, посредством которого осуществляется связь между основанием (корпусом) и узлом хвостового плавника, которая, в свою очередь, содержит возможность придания жесткости в ориентации вала узла хвостового плавника
На фиг.4 показан рычаг 8 как элемент кинематической связи между узлом хвостового плавника 5 и узлом управляемого привода, размещенным в основании (корпусе) 6, для обозначения принципиальной возможности передачи движения от узла управляемого привода к узлу хвостового плавника. Для представления о работе устройства плавникового движителя изображенного на фиг.3 упомянутая связь между узлами подразумевается как естественная. Поэтому для осуществления принципиальной возможности передачи движения от узла управляемого привода к узлу хвостового плавника достаточно отметить наличие кинематической связи между этими узлами.
В тоже время необходимо отметить, что в обоих случаях применялся узел хвостового плавника, соответствующий фиг.1 и его дополнительная связь с основанием через кронштейн. Таким образом, иллюстрируется однозначность предлагаемой формулы полезной модели заявляемого технического решения и возможность ее сопоставления с реальной конструкцией плавникового движителя.
Заявляемое техническое решение плавникового движителя отвечает всем критериям патентоспособности полезной модели.
Заявляемое техническое решение новое, т.к. аналогичные известные из уровня техники решения не обладают тождественной совокупностью признаков.
Заявляемое техническое решение является промышленно применимым, поскольку оно может быть использовано в производстве навесных плавниковых движителей для маломерных прогулочных, спасательных и спортивных надводных судов (катера, лодки, включая надувные с транцем, катамараны). На что указывает изготовление работающих моделей, с которыми проводились испытания.