АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ СУДНО
STREAMLINED SHIP

Настоящее изобретение относится к области судостроения и может найти применение в качестве аэродинамического судна.
Известно судно, содержащее корпус с водительским отделением, установленный на поплавки, внутри которого расположен двигатель с муфтой сцепления, механически соединенный с несущими винтами самолетного типа большого диаметра, установленными по два спереди и сзади под углом 25 градусов к корпусу. /Авт. свид. СССР №312788, 1971./
Недостатками известного судна являются большая энерговооруженность, повышенная опасность при эксплуатации, большие переменные нагрузки на лопасти винтов, работающих на границе двух сред, небольшая высота подъема корпуса судна над поверхностью воды.
Указанные недостатки обусловлены конструкцией судна.
Известно также аэродинамическое судно, содержащее корпус с продольными боковыми отсеками, в которых размещены движители вертикального подъема. Главный двигатель размещен в передней части корпуса и кинематически связан с движителями вертикального подъема. Маршевый двигатель расположен в задней части корпуса и кинематически связан с движителями горизонтального перемещения. Судно имеет систему путевого управления и систему управления устойчивостью движения судна. Движители вертикального подъема одинаковы по конструкции и каждый из них содержит корпус прямоугольного типа, внутри которого размещены один над другим два одинаковых подъемных момента, каждый из которых содержит прямоугольный ящик, установленный открытой частью вверх. В верхней части установлены на подшипниках горизонтально и параллельно друг другу несколько пар пустотелых барабанов цилиндрической формы. На валу каждого барабана закреплена шестерня, а между шестернями размещены промежуточные шестерни, каждая из которых входит в зацепление с двумя шестернями двух рядом стоящих барабанов. Посредством конических шестерен и вертикальных валов барабаны нижнего подъемного элемента связаны с барабанами верхнего подъемного элемента. Направление вращения барабанов в одну и ту же сторону. Внутрь ящика вставлена упругая и стойкая к истиранию подушка, контактирующая с нижними поверхностями барабанов и дном ящика. / Патент РФ №2470808, опубл. 27.12.2012, Бюл. №36 /.
Известное аэродинамическое судно по патенту РФ №2470808, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому полезному результату, принято за прототип.
Недостатками известного аэродинамического судна, принятого за прототип, являются большой вес и недостаточная подъемная сила движителей вертикального подъема, большой расход энергии на вращение.
Указанные недостатки обусловлены конструкцией движителей вертикального подъема.
Задачей настоящего изобретения является повышение технических характеристик аэродинамического судна.
Технический результат обеспечивается тем, что в аэродинамическом судне, содержащем корпус с продольными отсеками, закрытыми сверху и снизу решетками, движители вертикального подъема, установленные в продольных отсеках, главный двигатель, расположенный в передней части корпуса, механически через муфту сцепления посредством карданных валов, переднего и заднего редукторов и двойного конического дифференциала продольного наклона соединен с четырьмя передними и четырьмя задними движителями вертикального подъема, причем он же посредством карданных валов через бортовые редукторы и двойной конический дифференциал поперечного наклона соединен с четырьмя средними движителями вертикального подъема левого и правого бортов, причем тормоза обоих дифференциалов посредством гидромеханизмов связаны с ручкой управления положением корпуса судна в пространстве, движители горизонтального перемещения, установленные в задней части корпуса, маршевый двигатель, размещенный в задней части корпуса, механически через муфту сцепления посредством карданных валов, трехвального редуктора и бортовых редукторов связан с движителями горизонтального перемещения, водно-воздушные рули, установленные за движителями горизонтального перемещения, посредством гидромеханизмов связаны с педалями путевого управления, механизмы управления, согласно изобретению движители вертикального подъема, одинаковые по конструкции, выполнены в форме роторов, установленных в круглых цилиндрических корпусах, один конец вала каждого из которых установлен в подшипниках корпуса, а второй конец является ведомым валом бортового редуктора, причем каждый ротор представляет собой тело вращения, состоящее из трех частей, выполненных как одно целое и отделенных друг от друга тонкими дисками, причем верхняя и средняя части ротора одинаковы по конструкции и каждая из них выполнена в форме цилиндрического тела, переходящего в нижней части в перевернутый усеченный конус, кроме того, на верхней торцевой части цилиндрического тела выполнен круговой вертикальный бортик с боковыми каналами, открывающимися на верхнюю торцевую поверхность, наружные отверстия которых оканчиваются воздухозаборниками, кроме того, внутри верхней и средней частей ротора выполнены полости, образованные горизонтальными и наклонными поверхностями, имеющими на боковых поверхностях впускные и одновременно выпускные каналы в четном количестве, оканчивающиеся воздухозаборниками, причем противоположные наклонные поверхности в каждой полости параллельны, равны по размерам и по площади друг другу, кроме того третья нижняя часть ротора выполнена цилиндрической и на ее верхней торцевой поверхности выполнен круговой вертикальный бортик с боковыми каналами, открывающимися на верхнюю торцевую поверхность, наружные отверстия которых оканчиваются воздухозаборниками, кроме того, на нижней торцевой поверхности третьей нижней части ротора выполнены глухие трапецевидные радиальные каналы в четном количестве, продольная вертикальная ось каждого из которых наклонена в противоположную сторону от направления вращения, причем противоположные радиальные стороны каждого канала равны по площади, а дно каждого из них параллельно нижней торцевой поверхности ротора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фигуре 1 изображен общий вид аэродинамического судна;
на фигуре 2 - вид на аэродинамическое судно сверху;
на фигуре 3 - вид на аэродинамическое судно снизу;
на фигуре 4 - разрез по миделю;
на фигуре 5 - общий вид движителя вертикального подъема;
на фигуре 6 - общий вид ротора движителя вертикального подъема;
на фигуре 7 - разрез по А-А на фигуре 6;
на фигуре 8 - разрез по Б-Б на фигуре 6;
на фигуре 9 - разрез по В-В на фигуре 6;
на фигуре 10 - разрез по Г-Г на фигуре 6;
на фигуре 11 - продольный разрез ротора движителя вертикального подъема;
на фигуре 12 - вид на нижнюю торцевую поверхность ротора;
на фигуре 13 - продольный разрез радиальных каналов ротора;
на фигуре 14 - силы, действующие на дно и продольные стойки радиальных каналов ротора;
на фигуре 15 - кинематическая схема привода движителей вертикального подъема;
на фигуре 16 - кинематическая схема привода движителей горизонтального перемещения;
на фигуре 17 - гидравлическая схема привода рулей путевого управления;
на фигуре 18 - гидравлическая схема управления устойчивостью судна в пространстве;
на фигуре 19 - устройство двухвального редуктора в разреза;
на фигуре 20 - устройство трехвального редуктора в разрезе;
на фигуре 21 - устройство двойного конического дифференциала;
на фигуре 22 - соотношение размеров горизонтальных и наклонных поверхностей специальных полостей ротора;
на фигуре 23 - движение воздушных потоков при вращении ротора;
на фигуре 24 - схема сил, действующих на наружные и внутренние поверхности ротора при его вращении;
на фигуре 25 - схема движения судна над поверхностью водоема;
на фигуре 26 - схема набора высоты аэродинамическим судном;
на фигуре 27 - схема снижения аэродинамического судна;
на фигуре 28 - схема наклона аэродинамического судна на правый борт;
на фигуре 29 - схема наклона аэродинамического судна на левый борт.
Аэродинамическое судно содержит корпус 1 с водительским и пассажирским отделениями. По бокам корпуса выполнены продольные отсеки 2, имеющие сверху и снизу решетки 3 для прохода воздуха. Внутри продольных отсеков закреплены движители вертикального подъема 4, которые посредством карданных валов 5 через двухвальные 6, трехвальные 7 редукторы, двойной конический дифференциал продольного наклона 8 с тормозами, работающими в масле, двойной конический дифференциал поперечного наклона 9 с тормозами, работающими в масле, муфту сцепления 10 соединены с главным двигателем 11, установленным в передней части корпуса. В задней части корпуса установлены движители горизонтального перемещений 12, содержащие воздушные винты изменяемого шага 13, размещенные в каналах 14, которые посредством карданных валов, трехвального редуктора, муфты сцепления соединены с маршевым двигателем 15, размещенным в кормовой части корпуса. Движители вертикального подъема, одинаковые по конструкции, выполнены в форме роторов 16, установленных в круглых цилиндрических корпусах 17, один конец вала каждого из которых установлен в подшипнике 18, а второй конец является ведомым валом редуктора. Каждый ротор представляет собой тело вращения, состоящее из трех частей, выполненных как одно целое и отделенных друг от друга тонкими дисками 19. Верхняя и средняя части ротора одинаковые по конструкции и каждая из них выполнена в форме цилиндрического тела 20, переходящего в нижней части в перевернутый усеченый конус 21. На верхней торцевой части цилиндрического тела выполнен круговой вертикальный бортик 22 с боковыми каналами 23, открывающимися на верхнюю торцевую поверхность, наружные отверстия которых оканчиваются воздухозаборниками 24. Внутри верхней и средней частей ротора выполнены полости 25, образованные горизонтальными 26 и наклонными 27 поверхностями. Полости имеют на боковых поверхностях ротора впускные и одновременно выпускные каналы 28 в четном количестве, оканчивающиеся воздухозаборниками 29. Третья нижняя часть ротора выполнена цилиндрической и на ее верхней торцевой поверхности выполнен круговой вертикальный бортик с боковыми каналами, открывающимися на верхнюю торцевую поверхность, наружные отверстия которых оканчиваются воздухозаборниками. На нижней торцевой поверхности третьей части ротора выполнены глухие трапецевидные радиальные каналы 30 в четном количестве, продольная вертикальная ось каждого из которых наклонена в противоположную от направления сторону вращения на угол α. Противоположные радиальные стороны каждого канала равны по площади, а дно каждого из них параллельно торцевой поверхности ротора. В задней части корпуса судна в потоке воздуха за движителями горизонтального перемещения установлены водно-воздушные рули 31, которые посредством гидросистемы соединены с педалями путевого управления 32, которые установлены на неподвижной оси 33 и имеют рычаг 34. Гидросистема содержит масляный бак 35, масляный насос 36, два гидравлических крана 37, которые взаимодействуют с рычагом педалей путевого управления, гидроцилиндр 38, который посредством тяги 39 и рычагов 40 соединен с водно-воздушными рулями. Все агрегаты соединены между собой трубопроводами 41. Гидравлическая система управления устойчивостью судна в полете содержит ручку управления 43, которая установлена на валу 43 с возможностью поворота в продольном и поперечном направлениях и имеет полукруглый сектор 44, масляный бак, масляный насос, два гидравлических крана 45 продольного наклона, взаимодействующие с рычагом 46, закрепленным на валу, два гидравлических крана 47 поперечного наклона, взаимодействующие с полукруглым сектором, гидроцилиндры 48 привода тормозов дифференциала продольного наклона, гидроцилиндры 49 привода тормозов дифференциала поперечного наклона. Все агрегаты связаны между собой трубопроводами. Двухвальный редуктор содержит корпус 50, закрытый крышкой 51. В подшипниках корпуса и крышки установлены ведущий 52 и ведомый 53 валы, на которых закреплены ведущая 54 и ведомая 55 шестерни. На свободных концах валов закреплены фланцы 56. Трехвальный редуктор содержит корпус, закрытый крышкой. В подшипниках корпуса и крышки установлены ведущий и ведомые валы, имеющие шестерни, входящие друг с другом в зацепление. На свободные концы валов надеты фланцы. Оба двойных конических дифференциала одинаковые по конструкции и каждый из них содержит корпус 57 с ведомой шестерней 58, входящей в зацепление с ведущей шестерней 59, закрепленной на валу 60. В подшипниках корпуса установлены двойные сателлиты 61. Малые шестерни 62 закреплены на осевых валах 63, а большие шестерни 64 закреплены на трубчатых валах 65, на свободных концах которых закреплены тормозные барабаны 66, причем тормозные барабаны с тормозами 67 работают в масле для того, чтобы не допустить при торможении полной остановки тормозных барабанов.
Работает аэродинамическое судно следующим образом.
10
11
13
1
2
3
4
5
6
7
1
3
4
5
6
7
8
9
1
8
9
После запуска главного 11 и маршевого 15 двигателей включается муфта сцепления 10 главного двигателя. Вращающийся момент от главного двигателя 11 через муфту сцепления 10 посредством карданных валов 5 через редукторы 7 и дифференциалы продольного 8 и поперечного 9 наклона, редукторы 6 передается на движители вертикального подъема 4 правого и левого бортов. Роторы 16 приходят во вращение и создают подъемную силу F, которая уравновешивает силу веса судна P и поднимает его над поверхностью воды (фиг. 25). Возникновение подъемной силы на роторах движителей вертикального подъема происходит тремя способами. Во-первых, при вращении ротора 16 воздухозаборники 24 захватывают воздух и направляют его через каналы 23 на все три торцевые поверхности ротора, создавая на них вращающийся воздушный поток, отходящий вбок под тонкими дисками 19, а в верхней части ротора идет вверх в форме вращающегося вихря (фиг. 23). Вращающиеся потоки воздуха создают на этих поверхностях силы разрежения F, F, F (фиг. 24), сильно уменьшая давление атмосферного воздуха на эти поверхности. Во-вторых, воздухозаборники 29 подают воздух во впускные-выпускные каналы 28 внутрь обеих полостей 25. Поступающие воздушные потоки циркулируют, как показано на фиг. 23, создавая в этих полостях высокое давление. Тонкие диски 19 препятствуют движению воздушных потоков из полостей 25 на торцевые поверхности роторов, разделяя те и другие. На фиг. 22 видно, что противоположные наклонные поверхности равны по размерам l=l,l=l,l=ll=l и по площади. Силы давления воздуха на них равны и взаимно уравновешивают друг друга - F=F, F2=F, F=F, F=F (фиг.24). Горизонтальные поверхности 26 тоже равны по размерам и по площади l=l и S=S, но силы F и F ничем не уравновешены и создают подъемную силу, складываясь при этом.
1
1
2
8
9
10
11
12
13
В-третьих, подъемная сила создается на нижней торцевой поверхности третьей части ротора 16. При вращении ротора движущийся пограничный слой воздуха поступает внутрь радиальных трапецевидных каналов 30 и производит давление на дно и стенки этих каналов. Противоположные радиальные поверхности этих каналов равны по размерам l=lи по площади. Силы, действующие на них, уравновешивают друг друга и равны по величине F=F. Малая и большая стенки канала не равны между собой, и силы, действующие на них, разные, но они не создают подъемной силы. Силы F, действующие на дно каждого радиального трапецевидного канала 30, ничем не уравновешены, складываются и создают подъемную силу (фиг.13, 14). В результате вращения ротора 16 возникают силы F, F, F, F, F, F, создающие подъемную силу (фиг.24). Аналогично возникает подъемная сила и на других роторах движителей вертикального подъема. Указанные выше силы движителей вертикального подъема уравновешивают вес судна Р и поднимают его над поверхностью воды. Величина подъемной силы регулируется путем изменения частоты вращения вала главного двигателя 11. Далее включается муфта сцепления 10 и маршевый двигатель 15 через карданные валы 5, редуктор 7 приводит во вращение воздушные винты изменяемого шага 13 и судно начинает движение вперед. При установившемся движении сила, перемещающая судно со скоростью υ, уравновешивается силой сопротивления Су (фиг.25). Скорость движения судна над поверхностью воды регулируется частотой вращения вала маршевого двигателя 15. Управление судном по курсу осуществляется ножными педалями 32. При нажатии на правую или левую педаль 32 она поворачивается вокруг оси 33 и своим рычагом 34 нажимает на левый или правый гидравлический кран 37. Масло из масляного бака 35 масляным насосом 36 по трубопроводам 41 подается в ту или иную полость гидроцилиндра 38. Под действием давления масла шток гидроцилиндра 38 вдвигается внутрь корпуса или выдвигается наружу и посредством тяги 39 и рычагов 40 поворачивает в нужную сторону водно-воздушные рули 31, обеспечивая поворот судна в нужную сторону (фиг.17). Управление устойчивостью судна в пространстве при движении над поверхностью воды осуществляется следующим образом. Чтобы осуществить набор высоты, необходимо повернуть ручку управления 42 в положение "на себя". Рычаг 46 повернется и нажмет на золотник переднего гидравлического крана 45. Масло из масляного бака 35 масляным насосом 36 подается в задний гидроцилиндр 48. Шток выдвигается и тормоз 67 нажимает на задний тормозной барабан 66 двойного конического дифференциала продольного наклона 8. Частота вращения переднего осевого вала 63 увеличится, а заднего осевого вала уменьшится (фиг.18). В результате частота вращения роторов 16 четырех передних движителей вертикального подъема 4 увеличится, а четырех задних движителей вертикального подъема уменьшится. Подъемная сила в передней части корпуса судна увеличится, а в задней части корпуса уменьшится. Передняя часть корпуса судна поднимется, а задняя опустится и судно займет положение, показанное на фиг. 26. Для снижения судна необходимо ручку управления 42 повернуть в положение "от себя". Рычаг 46 повернется и нажмет на золотник заднего гидравлического крана 45. Масло из масляного бака 35 масляным насосом 36 станет подаваться в передний гидроцилиндр 48. Тормоз 67 нажмет на передний тормозной барабан 66 двойного конического дифференциала продольного наклона 8. В результате частота вращения четырех передних движителей вертикального подъема 4 уменьшится, а частота вращения четырех задних движителей вертикального подъема 4 увеличится. Подъемная сила в передней части корпуса 1 уменьшится, а в задней части увеличится и судно займет положение, показанное на фиг. 27. Для создания крена на правый борт необходимо ручку управления 42 повернуть вокруг своей оси вправо. Полукруглый сектор 44 нажмет на золотник левого гидравлического крана 47. Масло из масляного бака 35 масляным насосом 36 станет подаваться в правый гидроцилиндр 47 и тормоз 67 нажмет на правый тормозной барабан 66 двойного конического дифференциала поперечного наклона 9. Правый осевой вал 63 уменьшит частоту вращения, а левый увеличит. В результате частота вращения роторов 16 двух средних движителей вертикального подъема левого борта увеличится, а частота вращения двух средних движителей вертикального подъема 4 правого борта уменьшится. Подъемная сила F правого борта уменьшится, а левого борта возрастет. Корпус судна повернется вокруг продольной оси вправо и займет положение, показанное на фиг. 28. Для создания крена на левый борт необходимо ручку управления 42 повернуть вокруг своей оси влево. Полукруглый сектор нажмет на золотник правого гидравлического крана 47. Масло из масляного бака 35 масляным насосом 36 станет подаваться в левый гидроцилиндр 49, тормоз 67 нажмет на левый тормозной барабан 66 двойного конического дифференциала поперечного наклона 9. Левый осевой вал 63 уменьшит частоту вращения, а правый осевой вал на столько же увеличит. Частота вращения двух средних движителей вертикального подъема 4 левого борта уменьшится, а частота вращения двух средних движителей вертикального подъема 4 правого борта возрастет. Подъемная сила F по левому борту уменьшится, а по правому борту возрастет. Корпус судна повернется вокруг продольной оси и сделает крен на левый борт (фиг.29). После прибытия на место назначения обороты главного двигателя 11 уменьшаются, подъемная сила движителей вертикального подъема 4 плавно уменьшается и судно опускается на поверхность воды. Главный двигатель 11 останавливается. Дальнейшее маневрирование на воде осуществляется движителями горизонтального перемещения 12 и водно-воздушными рулями 31. Движение судна назад и торможение в водоизмещающем режиме и в полете осуществляется изменением тяги движителей горизонтального перемещения 12 путем установки лопастей воздушных винтов 13 в соответствующее положение.
Изобретение позволяет повысить технические характеристики аэродинамического судна.