СПОСОБ СОЗДАНИЯ ТЯГИ В КОЛЬЦЕВОМ ДВИЖИТЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ
THRUST GENERATION IN CIRCULAR PROPULSOR

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано в конструкциях винтовых движителей и устройствах активного управления плавательными средствами.
Известен способ создания тяги при помощи гребного винта, включающий забор воды из окружающего пространства через входной канал, придание ей ускорения гребным винтом, закрепленным на гондоле, и выброс воды через выходной канал (см. Э.П.Лебедев и др. «Средства активного управления судами», Ленинград, изд. «Судостроение», 1969 г., стр.118). Недостатком известного способа является узкий диапазон эффективной работы движителя.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ создания тяги в кольцевом движительном устройстве, включающий забор воды из окружающего пространства через входной канал, придание ей кольцевыми гребными винтами ускорения в водопроточном канале, образованном насадком и ротором устройства, и выброс воды через выходной канал (см. патент США №5306183, НКИ 440/6, 310/114). Недостатком известного способа является ограниченный диапазон эффективного регулирования величины тяги в кольцевом движительном устройстве. Дело в том, что в плавательных средствах приходится изменять тягу движительного устройства для придания средству различных режимов движения: экономичного на малых скоростях, форсированного на больших скоростях и др. При этом работа на каждом режиме должна проходить с высокой эффективностью (высоким кпд), что невозможно в существующем способе.
Цель настоящего изобретения - расширение диапазона эффективной работы движителя.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе, включающем забор воды из окружающего пространства через входной канал, придание ей кольцевыми гребными винтами ускорения в водопроточном канале, образованном насадком и ротором устройства, и выброс воды через выходной канал, в нем забор воды дополнительно осуществляют через, по крайней мере, один боковой канал, размещенный в насадке между кольцевыми гребными винтами. Забор воды через боковой канал позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление участка водопроточного канала к работающему гребному винту. В этом случае работает только гребной винт, расположенный между боковым и выходным каналами, а гребные винты, расположенные между боковым и входным каналами не работают. При такой схеме работы тяга движителя минимальная (экономичный режим), но эффективность работы движителя высокая. По мере необходимости увеличения тяги к работе подключаются гребные винты в зоне от бокового до входного канала и при работе всех гребных винтов создается максимальная тяга (форсированный режим). Изменение тяги при сохранении высокого кпд может осуществляться и за счет других факторов: разнонаправленного вращения кольцевых гребных винтов (вращение одних винтов по часовой стрелке, а других против часовой) и изменения частоты вращения гребных винтов. Частота вращения каждого конкретного гребного винта определяется не только из условия создания необходимой величины тяги, но и зависит от диаметра водопроточного канала, то есть зависит от геометрии этого канала в том месте, где установлен этот гребной винт. Чем меньше диаметр водопроточного канала, тем больше должна быть частота вращения гребного винта при прочих равных условиях. Это обеспечивает уменьшение гидравлического сопротивления при прохождении жидкости через канал при постоянстве ее расхода. Следует отметить, что разнонаправленное вращение гребных винтов и изменение частоты их вращения достаточно легко реализуются именно на кольцевых движительных устройствах, когда лопасти гребных винтов установлены на роторах электродвигателей. Для создания более однородного набегающего потока перед гребными винтами осуществляют его спрямление с помощью спрямляющих аппаратов, которые установлены перед каждым последующим гребным винтом. К этому же эффекту приводит и разнонаправленное вращение гребных винтов. Если один гребной винт вращается по часовой стрелке, то гребной винт, следующий за ним по ходу движения, будет вращаться уже против часовой стрелки.
Кольцевое движительное устройство плавательного средства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ, приведено на фиг.1-3 со следующими обозначениями:
1 - насадка;
2 - роторы;
3 - водопроточный канал;
4 - лопасти гребного винта;
5 - боковой канал;
6 - входной канал;
7 - выходной канал;
8 - спрямляющие аппараты.
На фиг.1 представлена схема кольцевого движительного устройства с одним боковым каналом и цилиндрическим водопроточным каналом, на фиг.2 представлено это же устройство, но с двумя боковыми каналами и коническим водопроточном каналом, на фиг.3 - это же устройство со спрямляющими аппаратами.
Предлагаемое кольцевое движительное устройство состоит из электродвигателей, установленных в общей насадке (кольцевой статор) 1 и включающих кольцевые роторы 2, образующие совместно с насадкой 1 водопроточный канал 3. Лопасти 4 гребного винта установлены на роторе 2, а вершины лопастей расположены в районе оси водопроточного канала 3. Между рядами кольцевых гребных винтов в кольцевой насадке 1 расположен боковой канал 5. В данном устройстве установлены (в зависимости от схемы) от трех до пяти кольцевых гребных винтов, расположенных между входным 6 и выходным 7 каналами. Боковых каналов может быть различное количество. На фиг.1 показан один боковой канал, а на фиг.2 и 3 - два боковых канала. Перед гребными винтами, кроме первого, (фиг.3) расположены спрямляющие аппараты 8.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. При подаче напряжения к электродвигателю (фиг.1) ротор 2 начинает вращаться относительно насадки (статора) 1. Лопасти гребного винта 4, установленные на кольцевом роторе 2, также начинают вращаться, создавая определенную тягу. При необходимости обеспечения экономичного режима работает только пятый гребной винт. Забор воды осуществляют через боковой канал, а винты с первого по четвертый не работают. Неработающие винты создают большое гидравлическое сопротивление и необходимый забор воды осуществляют именно через боковой канал. При необходимости увеличения тяги включают четвертый гребной винт. Для дальнейшего увеличения тяги включают третий, второй гребные винты, а для максимальной тяги и первый гребной винт. Без бокового канала создать эффективный режим работы движителя на небольшой тяге невозможно, так как при работе только пятого гребного винта прокачать воду через первые четыре неработающих гребных винтов очень сложно из-за большого гидравлического сопротивления. Таким образом, при наличии бокового канала и попеременном включении гребных винтов создается возможность регулировать тягу в кольцевом движительном устройстве в широком диапазоне с эффективной работой движителя. Следует отметить, что боковых каналов может быть больше одного, например два или три. На фиг.2 и 3 их показано два. Но все они должны располагаться в насадке между кольцевыми гребными винтами. В этом случае регулирование тяги возможно еще в большем диапазоне с меньшим шагом и высокой эффективностью. Спрямление набегающего на гребной винт потока воды обеспечивает однородность потока, что способствует повышению эффективности работы устройства. В зависимости от конкретного конструктивного исполнения устройства, количество гребных винтов, расположенных между боковым и входным каналами, может быть от одного до нескольких, в зависимости от задачи, которую решает каждое конкретное движительное устройство.