ВОДОМЕТНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ
WATER-JET PROPELLER

Изобретение относится к автономным спортивно-туристическим надводным и подводным плавательным средствам и т.п., использующим водометные устройства.
Известны гребные винты плавательных средств (см. С.М.Смирнов. Теория и устройство судна. - М., изд. Транспорт, 1992, с.101-102, рис.57), содержащие на валу 2-7 лопастей, расположенных на равных расстояниях по окружности ступицы и представляющие собой несущее крыло.
Недостатком гребных винтов является то, что приводить их во вращение с помощью физической силы можно только при помощи кинематических сложных механических устройств.
Известен мускульный привод транспортного средства, содержащий ведущую ось с двумя эксцентриками, оси которых лежат в одной плоскости с этой осью по разные от нее стороны. Параллельно ведущей оси с возможностью вращения на раме находится другая ось с такими же эксцентриками, на которой закреплена концами и навита в разных направлениях гибкая связь, проходящая через блок, по обе стороны от которого на ней закреплены рукоятки. На эксцентриках с возможностью вращения находятся втулки, попарно с разных осей связанные между собой гибкими связями, каждая из которых проходит через устройство, управляющее траекторией ее движения в сторону плоскости, в которой лежат оси вращения обоих осей (см. патент РФ №2028960, кл. В62М 1/04, A61G 5/02, 17.12.1991).
Недостатком такого привода является то, что он не может быть достаточно полезным при применении его к массовым плавательным средствам ввиду его достаточно большой технической сложности.
Известен подводный гидроцикл, предназначенный для передвижения и жизнеобеспечения водолазов, для подводного туризма или обеспечения подводных работ. Оно содержит открытый корпус с сиденьем, штурвал, руль, присоединенный к корпусу открытый снизу воздушный купол для головы плавца, источник электропитания, герметичные маршевый электродвигатель и электродвигатель глубины. Воздушный купол через понижающий редуктор гидравлически связан с баллоном со сжатым воздухом (см. патент РФ №2370409, кл. В63С 11/12, В3/00, Н1/14, 20.10.2009).
Недостаток устройства применительно к рассматриваемой теме состоит в том, что требуется автономный источник электропитания, используются электродвигатели и винтовой движитель. Это и прилагаемая система жизнеобеспечения чрезмерно усложняет и удорожает весь комплекс. С эксплуатационной точки зрения возникают проблемы уравновешивания при движении под водой силы сопротивления и движущей силы от движителя, поскольку обе эти силы создают вращательный момент в одном направлении относительно центра масс системы, а также вопросы антикессонного обеспечения при использовании для дыхания воздуха и длительном пребывании пловца под водой.
Известен водомет, который может быть использован в качестве водометного движителя с непрерывной тягой. Он снабжен двумя цилиндрами с поршнями, подключенными к сопловому каналу напротив друг друга тягой, и тремя поворотными заслонками, расположенными в сопловом канале между отверстиями подключения цилиндров. Перемещаясь возвратно-поступательно, поршни поочередно втягивают воду из входного сопла и выбрасывают в выходное сопло (см. патент РФ №2051071, кл. В63Н 11/06, В63Н 11/08, В63Н 11/04, 04.08.1992).
Недостаток устройства состоит в необходимости двигателя и в сложности образования конструктивно-кинематической связи с двигателем.
Известен ускоритель потока жидкости, содержащий размещенные соосно и герметически соединенные сопла, а также электроды в одном из сопел, соединенные с блоком формирования электрогидравлического удара (см. патент РФ №2343086, кл. В63Н 11/02, 13.03.2007).
Недостатком устройства является необходимость мощного электрического источника для «ионизации» и образования электрогидравлических ударов в текучей среде.
Известно приспособление для плавания в виде раскрывающихся ласт в результате их взаимодействия с окружающей водной средой, при этом как раскрывание, так и закрывание плавников происходит уже на начальных стадиях движения ног пловца при плавании «брасом». Надежное срабатывание конструкции обеспечивается шарнирной связью, разновеликостью формы конструкции плавников (см. патент РФ №2093231, кл. А63В 31/11, 29.11.1993).
Недостатком предложенного устройства является громоздкость и низкий КПД, присущий всем видам ласт.
Известна электроэнергетическая установка, содержащая электрохимический генератор с водородно-кислородными топливными элементами, которая может быть использована в составе электроэнергетической системы подводного аппарата. Электрохимический генератор, производящий электричество, содержит блок хранения кислорода и реактор, где в результате реакции гранулированного алюминия и концентрированной щелочи образуется водород, которые соединены магистралями, клапанами и датчиками (см. патент РФ №2230401, кл. Н01М 8/06, М14/00, 22.07.2002).
Недостатком подобной системы является использование газообразного кислорода и концентрированной щелочи для получения водорода, что малоприемлемо для продукции массового назначения.
Известен гидрореактивный движитель, содержащий размещенные соосно одна внутри другой и оснащенные входными клапанами водометные трубы, полости которых связаны с рабочими камерами, сообщающимися с камерами сгорания и соединенными между собой эжектирующей трубкой (см. патент РФ №2355600, кл. В63Н 11/00, 12.10.2007).
Недостаток устройства, кроме его сложности, состоит в его неэкологичности ввиду использования для вытеснения воды из водометных труб газов сгорания углеводородного топлива.
Известен реактивный подводный плавательный аппарат, содержащий реактивные двигатели, отличающийся тем, что он выполнен полым, цилиндрической формы, причем через внутреннюю полость аппарата проходит встречный поток воды, а в хвостовой его части закреплены по окружности реактивные двигатели, извергающие горячие газы по его периметру (см. патент РФ №2139224, кл. B63G 8/00, B63G 8/08, 06.10.1998).
Недостаток устройства состоит в необходимости использования реактивного топлива и в сомнительности образования эжектирующего эффекта во внутренней, проточной полости аппарата от горячих газовых струй в донной его части.
Известно полупогружное судно, содержащее подводную и соединенную с ней надводную части, отличающееся тем, что между подводной частью и днищем надводной части судна установлен резервуар для сбора воды, гидравлически соединенный с турбиной, вращающей винт (см. патент РФ №2097250, кл. В63В 1/10, В63Н 19/02, 27.11.1995).
Недостаток системы в ее неработоспособности в случае отсутствия достаточно сильного морского волнения.
Известен движитель для судов и аппаратов надводного и подводного плавания, содержащий рабочий орган в виде колеблющегося плавника, который выполнен в виде клиновидно-конусного тела с упругой армированной пластиной на остром конце, преимущественно имеющей форму плавника тунца (см. патент РФ №2090441, кл. В63Н 1/36, 02.06.1994).
Недостаток устройства состоит в малой эффективности искусственных ластовых конструкций по сравнению с природными решениями, несмотря на попытки сохранить внешнее и, в какой-то степени, конструктивное сходство.
Известен способ обеспечения бесшумного движения подводного судна, при котором силу, движущую судно, создают выталкиваемой из него струей воды, для чего используют профилированную трубу в виде свободно проточного водовода, вход в который располагают в нижней части судна, а выход из него - в верхней части судна, и направляют этот выход из водовода в сторону, противоположную направлению движения судна и в котором водяной поток ускоряют посредством индукционного нагрева воды через стенки водовода, уменьшая при этом плотность воды, за счет чего осуществляют ее подъем в водоводе с ускорением и последующим направленным выбросом созданной струи воды (см. патент РФ №2171757, кл. B63G 8/08, В63Н 11/02, 31.10.2000).
Недостаток способа и устройства состоит в реализуемой маломощности при необходимости иметь на борту развитое и мощное индукционное оборудование.
Известен способ заполнения ракеты рабочим телом /водой/ при движении ее на подводном участке траектории и конструкция для его осуществления, которые заключаются в том, что подачу рабочего тела осуществляют самотеком в полость, образованную в результате выдвижения на штангах головной части путем перемещения поршня под действием давления пороховых газов, возникающих при горении стартовой пороховой шашки, одна часть которых, проходя по газоходу, истекает через сопло, создавая реактивную силу для движения, а другая часть, проходя по газоходу, истекает через форсунки, расположенные в стенке газохода, постепенно повышая давление в камере между подвижной обечайкой и днищем стакана неподвижного корпуса, постепенно повышая в ней давление, которым с интервалом времени от момента выдвижения головной части, требуемым для заполнения рабочим телом образующейся при выдвижении головной части полости, перемещается манжета с подвижной обечайкой, надвигая ее на выдвинутую головную часть и обеспечивая при этом герметичную стыковку с головной частью (см. патент РФ №2075722, кл. F42B 15/20, 30.11.1993).
Недостаток способа и устройства состоит в малой вероятности реализации подхода, учитывая масштабы реальных ракет и возможность использования в качестве рабочего тела воды, нагреваемой до высокой температуры каким-то источником энергии, находящимся на борту ракеты.
Известно пневматическое гарпунное ружье, содержащее ресивер с передней и задней пробками, подвижно установленный в нем ствол, размещенный в стволе поршень с уплотнительным кольцом и с гнездом под хвостовик гарпуна, клапан, затвор с уплотнительным кольцом, шток, установленный с возможностью перемещения в задней пробке, тормоз поршня, регулятор дальнобойности, спусковой механизм, отличающееся тем, что клапан состоит из концевой части ствола, в которой выполнены радиальные отверстия, и шланга, установленного на концевой части ствола над отверстиями, затвор закреплен в задней пробке с возможностью продольного перемещения для регулировки силы боя, а уплотнительное кольцо затвора выполнено с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью ствола, причем затвор снабжен подпружиненной шайбой, которая скреплена со штоком, поршень выполнен ступенчатым и снабжен дополнительными уплотнительными кольцами, при этом тормоз поршня выполнен в виде закрепленной на стволе тормозной втулки со ступенчатым внутренним каналом и дросселирующими отверстиями (см. патент РФ №2045732, кл. F41B 11/08, 10.12.1991).
Недостаток устройства состоит в его многоэлементности и сложности обеспечения надежной обтюрации в подвижных сочленениях.
Известен судовой движитель, содержащий корпус с носовым обтекателем и привод, жестко закрепленный в обтекателе, обеспечивающий возвратно-поступательные перемещения рабочего органа, установленного на штоке привода, отличающийся тем, что привод выполнен в виде гидроцилиндра, а в качестве рабочего органа используется поршень-лопасть, совершающий перемещения в цилиндре, закрепленном в корпусе движителя с помощью стоек с зазором между корпусом и цилиндром с образованием сопла, направленного в сторону, противоположную обтекателю, что обеспечивает при прямом ходе поршня-лопасти создание тяги - движения плавсредства за счет выталкивания воды из цилиндра с одновременным заполнением водой полости цилиндра между обтекателем и поршнем-лопастью через сопло и зазор между цилиндром и корпусом за счет гидростатического давления и перемещения поршня-лопасти, а при обратном ходе поршня-лопасти вытесняется вода из цилиндра между обтекателем и поршнем-лопастью через зазор и сопло, что также создает тягу - движение плавсредства (см. патент РФ №2205772, кл. В63Н 1/32, В63Н 11/06, 26.12.2001).
Недостаток устройства состоит в необходимости его усложнения ввиду непременности добавления к системе источника энергии и его связей для задействования гидроцилиндра.
Известен судовой движитель, который относится к движителям с приводом возвратно-поступательного перемещения рабочего органа - поршня в цилиндре. Движитель содержит корпус, оборудованный системой пассивных заборных клапанов, систему вытеснения воды и сопловой аппарат. В основу работы движителя положен принцип движения морского моллюска кальмара, осуществляющего движение созданием импульсной реактивной струи воды. В качестве источника энергии привода используется гидравлическая жидкость или сжатый воздух от баллонов высокого давления. Технический результат заключается в непрерывном создании силы тяги, упрощении силовой установки плавсредства, исключении гребного винта, вала, руля, сохранении экологии водного района (см. патент РФ №2245279, кл. В63Н 11/06, 27.01.2005).
Недостаток подобного устройства состоит в ориентации на использование в качестве силового привода внешнего источника силы в виде гидро- или пневмобаллонов высокого давления.
В качестве прототипа принят водометный движитель, имеющий закрытый корпус с клапанным устройством забора воды и каналом ускорения отбрасываемой струи, систему присоединения к движимому объекту, вытеснительный модуль в виде узла создания давления воды за счет взрыва горючей смеси в камере сгорания, размещенный внутри корпуса, и систему управления вытеснительным модулем (см. патент РФ №2312041, кл. В63Н 11/14, 24.08.2005).
Недостаток такого гидрореактивного движителя состоит в его конструктивно-функциональной сложности и в неэкологичности ввиду шумности и необходимости использования углеводородного топлива и, как следствие, выделения при работе окислов углерода и азота на выхлопе.
Задачей изобретения является создание водометного движителя плавательного средства, отличающегося автономностью, безопасностью, простотой и удобством применения и эксплуатации.
Поставленная задача решается посредством того, что в водометном движителе, имеющем закрытый корпус с пластинчатыми клапанными устройствами забора воды и каналом ускорения отбрасываемой струи, систему присоединения к движимому объекту, вытеснительный модуль, размещенный внутри корпуса, и систему управления вытеснительным модулем, в соответствии с изобретением, система присоединения к движимому объекту выполнена из ремней крепления голеней и упоров для ступней ног, размещенных с наружных сторон корпуса водометного движителя, кроме того, вытеснительный модуль выполнен в виде растягивающегося шлейфа, мускульного привода устройства натяжения шлейфа, причем растягивающийся шлейф состоит из крепежного хвостовика шлейфа, нескольких аналогичных по конструкции, последовательно связанных между собой, пассивных, сжимающихся при растяжении пневматических элементов шлейфа и нерастягивающегося полотна шлейфа, прикрепленного в своей верхней части к мускульному приводу устройства натяжения шлейфа, в виде катушки, предназначенной для намотки полотна шлейфа, которая неподвижно насажена на вращающийся рабочий вал, установленный внутри корпуса, в его верхней части, и обгонных муфт, установленных на рабочем валу с обеих сторон катушки, снабженных механизмом их вращения, а система управления вытеснительным модулем состоит из узла блокировки шлейфа в натянутом состоянии и механизма разблокирования узла блокировки шлейфа в виде механической связи узла блокировки шлейфа с приводом, в виде педали управления вытеснительным модулем, установленной с наружной стороны корпуса водометного движителя, возле упора для ступней ног.
Кроме всего этого водометный движитель может содержать набор вытеснительных модулей и соответствующую единую систему управления ими.
Схематически конструкция водометного движителя поясняется с использованием фигур 1 и 2.
На фиг.1 показан водометный движитель и его основные составляющие, где:
1. Корпус водометного движителя
2. Клапан устройства забора воды
3. Канал ускорения отбрасываемой струи
4. Ремень крепления голени ноги
5. Упор для ступни ноги
6. Педаль управления вытеснительным модулем
7. Ручка натяжения шлейфа вытеснительного модуля
На фиг.2 показан вытеснительный модуль и его основные составляющие, где:
7. Ручка натяжения шлейфа вытеснительного модуля
8. Крепежный хвостовик шлейфа
9. Растягивающийся пневматический элемент шлейфа
10. Нерастягивающееся полотно шлейфа
11. Катушка
12. Рабочий вал
13. Обгонная муфта
14. Ремень вращения обгонной муфты
15. Ремень возврата обгонной муфты
16. Узел блокировки шлейфа в натянутом состоянии
Водометный движитель (Фиг.1) устроен следующим образом. В закрытом плоском корпусе (1) установлены пластинчатые клапанные устройства забора воды (2) и каналы ускорения отбрасываемой струи (3). Клапанные устройства (2) могут быть выполнены в виде простых пластинчатых обратных клапанов, открывающихся вовнутрь, а каналы ускорения отбрасываемой струи (3) - в виде трубчатых сопел, изготовленных из эластичного материала. Эластичность сопел позволит вправлять их внутрь корпуса при транспортировке водометного движителя. Система присоединения к движимому объекту выполнена из ремней крепления голеней ног (4) и упоров для ступней ног (5), размещенных с наружных сторон корпуса (1).
Внутри корпуса размещен вытеснительный модуль (Фиг.2), основным элементом которого является растягивающийся шлейф. Растягивающийся шлейф состоит из крепежного хвостовика шлейфа (8), нескольких аналогичных по конструкции, последовательно связанных между собой, пассивных, сжимающихся при растяжении пневматических элементов шлейфа (9) и нерастягивающегося полотна шлейфа (10). Крепежный хвостовик шлейфа (8) служит для крепления шлейфа к основанию корпуса водометного движителя (1). Растягивающийся пневматический элемент шлейфа (9) выполнен в виде двух связанных между собой гибких пластин, между которыми расположена герметичная эластичная подушка определенной формы, по аналогии с решением, предложенным в авт.свид. СССР №1583120. Отличие применяемого устройства от устройства, цитируемого авт.свид., состоит лишь в том, что в эластичной подушке вместо штуцера магистрали подвода высокого давления установлен простой ниппель, превращающий подушку, расположенную между гибкими пластинами, в пассивный пневматический элемент. Нерастягивающееся полотно шлейфа (10) изготовлено из отвечающего этому требованию материала и в своей верхней части заделано в катушку (11), предназначенную для намотки полотна шлейфа, которая неподвижно насажена на вращающийся рабочий вал (12), установленный внутри корпуса (1), в его верхней части, и обгонных муфт (13), установленных на рабочем валу с обеих сторон катушки (11) и снабженных механизмом их вращения. Эти подвижно установленные обгонные муфты (13) сцепляются с валом на прямом ходе, при приложении усилия натяжения шлейфа и расцепляются с ним при обратном ходе, под действием механизма возврата муфты, когда усилия натяжения шлейфа отсутствуют. Обгонные муфты (13) оборудованы для обеспечения их прямого хода вращения нерастягивающимся ремнем (14) и резиноподобным ремнем их возврата (15) на обратном ходу. Ремни прямого вращения обгонной муфты (14) сквозь прорези (не показаны) в крышке корпуса (1) своими концами присоединены к ручке натяжения шлейфа вытеснительного модуля (7), а концы ремней возврата муфты (15) прикреплены к упорам внутри корпуса водометного движителя (не показаны). Для предотвращения паразитных расходов воды сквозь прорези в крышке корпуса (1) эти прорези могут быть оборудованы обжимными валиками, предотвращающими подобные потери.
Система управления вытеснительным модулем состоит из узла блокировки шлейфа в натянутом состоянии (Фиг.2, поз.16) и механизма разблокирования узла блокировки шлейфа (не показан), в виде механической связи узла блокировки шлейфа (16) с приводом, в виде педали управления вытеснительным модулем (6), установленной с наружной стороны корпуса (1) водометного движителя, возле упора для ступни ноги (5). Узел блокировки шлейфа в натянутом состоянии (16) может быть выполнен одним из известных вариантов, например храповика или обгонной муфты, а механизм механической связи (не показан) узла блокировки шлейфа (16) с приводом - в виде тросовой, гидравлической или рычажной передачи от педали (6) к узлу (16). Упоры для ступней ног (5) и педаль управления вытеснительным модулем (6) могут быть сделаны откидными, что также упростит проблемы при транспортировке водометного движителя. В верхней части корпуса (1) размещены ручки натяжения шлейфов вытеснительных модулей (7).
В случае применения в устройстве водометного движителя нескольких вытеснительных модулей, а на Фиг.1, с целью обобщения, представлен именно многомодульный вариант водометного движителя, механизм механической связи системы управления вытеснительным модулем объединяет все модули с обеспечением возможности последовательного или одновременного их задействования.
Как устройство работает?
1
1
2
2
В кратком изложении процесс может быть представлен следующим образом. Водометный движитель, заполненный водой в пассивном режиме, через клапаны (2) и каналы (3) присоединяется к ногам пловца при помощи ремней (4) и упоров (5). Затем производится активное заполнение корпуса движителя водой посредством последовательного растяжения вытеснительных модулей за ручки натяжения их шлейфов (7). После погружения пловца в воду, пловец, задействуя педаль управления вытеснительным модулем (6), реализует реактивный выброс воды через каналы ускорения отбрасываемых струй (3), обеспечивая тем самым свое перемещение в воде в соответствии с законом сохранения количества движения (mv=mv). После израсходования энергии, запасенной в вытеснительных модулях, повторяется процесс активного заполнения корпуса движителя водой посредством последовательного растяжения вытеснительных модулей за ручки натяжения их шлейфов (7) и последующая реализация запасенной в них энергии.
В детальном представлении, после пассивного заполнения корпуса движителя водой и присоединения движителя к ногам пловца процесс активного заполнения корпуса движителя водой состоит из следующих этапов. Прилагая последовательно мускульные усилия руками к ручкам (7) пловец, упираясь ногами в упоры (5), через ремни (14) вращает обгонную муфту (13), которая входит под действием прилагаемого усилия в зацепление с рабочим валом (12), вращает его и связанную с ним катушку (11), наматывая на нее полотно шлейфа (10). При этом происходит растяжение и уменьшение объема пневматических элементов шлейфа (9) и, соответственно, увеличение свободного внутреннего объема корпуса движителя, который заполняется водой через клапаны (2) и каналы (3). Вращение вала (12) задействует узел блокировки шлейфа в натянутом состоянии (16), что предотвращает при снятии прилагаемого мускульного усилия обратное вращение вала (12) и обратную раскрутку полотна шлейфа (10) с катушки (11). Кроме того, вращение обгонной муфты (13) на таком прямом ходе приложения усилий сопровождается натяжением ремня возврата обгонной муфты (15), который при снятии мускульного усилия возвращает обгонную муфту (13) в исходное положение. Это позволяет повторять операцию растяжения этого вытеснительного модуля неоднократно, достигая при этом значительного снижения объема пневматических элементов шлейфа (9) и, соответственно, повышения степени заполнения активной водой корпуса движителя.
После завершения этапа активного заполнения водой корпуса движителя пловец, регулируя степень воздействия на педаль управления вытеснительным модулем (6), последовательно разблокирует в нужном темпе узлы блокировки шлейфов (16), что сопровождается раскручиванием катушек (11), роспуском полотен шлейфов (10), расширением пневматических элементов шлейфов (9) и дозированным реактивным вытеснением воды через каналы ускорения отбрасываемых струй (3). Скорость перемещения пловца будет пропорциональна скорости отбрасываемых струй и отношению массы отбрасываемых струй к общей массе пловца и водометного движителя.
Техническим результатом изобретения является создание устройства, отличающегося экологичностью, автономностью, безопасностью, простотой и удобством применения и эксплуатации. Именно установка в водометном движителе вытеснительных модулей с мускульным приводом их задействования позволяет не только решить проблему достижения компактности устройства при совмещении целевых функций, но и обеспечивает доступность его массового производства и использования.
Без отхода от существа изобретения, конкретные элементы выполнения и отдельные детали устройства могут варьироваться в сравнении с теми, что представлены на фигурах и в описании, не выходя из объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой. Например, корпус движителя может быть усилен с боковых сторон ребрами жесткости, накладными обручами, или боковые стороны движителя могут быть выполнены выпуклыми.