Устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке
DEVICE FOR REDUCTION OF HYDRODYNAMIC RESISTANCE OF SHIP HULL BOTTOM ON COMPRESSED AIRFLOW

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано при конструировании судов, использующих динамическую воздушную подушку, обладающих высокопроизводительным свойством компрессора на использовании соосного импеллера, реактивная струя которого направлена для пневмоканалов в виде сжатого воздуха под днищем для создания подъемной и тяговой силы судов (ТСВП) для перемещения по воде, снегу и земле.
Известно устройство для создания на днище судна единой воздушной каверны. Основным элементом устройства является днищевая выемка, внутри которой создается единая воздушная каверна с волновым профилем. Выемка ограничена носовым и кормовой наклонной плоскостью. Для повышения поперечной остойчивостью судна внутри выемки, устанавливаются продольные кили, которые делят каверны на секции, а также установлены поперечные насадки, обеспечивающие возможность создания единой каверны при движении судна (Патент RU №1145587, B60V, В63 В 1/38 от 29.09.1983).
Однако наличие выемки в днище приводит к потере внутренних объемов, так как источник воздуха сообщен с секциями посредством вертикальных трубопроводов, а значит, возникают большие потери на вход воздуха. Кроме того, возникает необходимость увеличения высоты надводного борта судна или увеличения высоты колеингов грузовых трюмов для сохранения их грузоподъемности, что в свою очередь влечет за собой увеличение массы корпуса и снижение грузоподъемности судна. Кроме того, единая воздушная прослойка на этом судне устойчива в узком диапазоне скоростей, и при наличии возмущений эксплуатационного характера, при линейном изменении скорости единая воздушная прослойка подвержена разрушению с образованием сравнительно коротких разрозненных воздушных прослоек. На данном судне образование создания подсоса воздуха за счет вакуума не предусмотрено на участках днища, что также ограничивает эффективность снижения сопротивления трения.
Известно также судно с устройством для формирования на его днище системы следующих друг за другом воздушных каверн и поддержания последних (Авторское свидетельство SU №288576, В63В от 26.01.1971). Основными элементами устройства являются поперечные насадки, выполненные в виде наклонных пластин, установленных на плоском участке днища.
Расстояние между соседними поперечными насадами принимаются равным предельной длине каверны на расчетной скорости хода судна. С боков каверны ограничены побортно установленными на днище продольными ограничительными килями. Высота и длина продольных килей принимается таковой, чтобы подаваемый под днище для создания и поддержания каверны воздух не мог стравливаться через них в атмосферу. Воздух от источника по системе туб подается либо к каждой поперечной насадке, либо только к некоторым из них, но обязательно к первой (носовой) поперечной насадке.
Основным недостатком известного устройства является то обстоятельство, что ограничительные и промежуточные продольные кили существенно выступают за основную плоскость днища, что в условиях ограниченной глубины фарватера, на мелководье приводит к необходимости снижению расчетной осадки судна и, соответственно, к неизбежной потере его грузоподъемности по сравнению с расчетной. Кроме того, выступающие за основную плоскость днища элементы устройства могут быть легко повреждены в случае посадки судна на мель, при встрече с подводным препятствием или же при значительном уменьшении глубины фарватера. Кроме того, для указанных устройств характерно резкое снижение эффективности при движении в условиях сильного волнения или при движении со значительным начальным дифферентом судна. В этих условиях гидродинамическое сопротивление судна с воздушными кавернами, особенно при использовании выступающих за основную плоскость днища поперечных насадков в виде наклонных пластин, может быть даже выше, чем у традиционного судна. На данном судне образование создание подсоса воздуха за счет вакуум не предусмотрено на участках днища, что также ограничивает эффективность снижения сопротивления трения.
Известно судно на воздушной подушке, содержащее корпус с камерами воздушной подушки, вентиляторную установку с воздушными каналами и приводом, от которой воздух поступает непосредственно в камеры воздушной подушки, рулевые закрылки, гибкую переднюю стенку камер; выходные отверстия воздушных каналов размещены в кормовой части корпуса непосредственно перед рулевыми закрылками, образующими заднюю стенку продолжения воздушных каналов (Патент SU №499790, B60V 1/18 от 15.01.1976).
Недостатком этого технического решения является повышение сопротивление движению судна вследствие большой поверхности контакта элементов судна с водой, кроме того, этим решением не достигается высокая эффективность движения судна, так как отсутствует эффект создания конструкции днища образования создания подсоса воздуха за счет вакуума, что не предусмотрено под днищем судна, что также ограничивает эффективность снижения сопротивления трения.
Известно судно на воздушной подушке, содержащее корпус, двигательную и нагнетательной установки, а также ограждение области воздушной подушки с носовым и кормовыми подвижными элементами, с бортовыми скегами и средним скегом, секционирующим область воздушной подушки на левую и правую отдельные камеры; нагнетательная установка выполнена с рулевым устройством, регулирующим нагнетание воздуха в упомянутые камеры (Патент RU №2097231, B60V от 27.11.1997).
Этому техническому решению присущ тот же недостаток, что и вышеописанному аналогу. В случае перемещения судна по воде в условиях волнения возникает значительное сопротивление. Перемещение по твердой неровной поверхности при использовании судна в качестве амфибии весьма затруднительно, управление судном в этом случае практически невозможно. Таким образом, скорости движения судном недостаточны для подъемной и тяговой силы и не достигает повышения эффективности динамической воздушной подушки и снижения сопротивления воды движению судна на пневмопотоке на воде и твердой поверхности.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, содержащее корпус, нагнетатель воздуха высокого давления в виде импеллера, рулевое устройство, бортовые скеги, при этом днище обтекаемого корпуса защищено слоем материала, выполненного со свободно выступающими одним концом отдельными упругими стержнями и/или волокнами, изготовленными из упругих полиэтиленовых материалов в виде щетки, скрепленных жестко с защитным покрытием материала (Патент RU №2641345, B60V, B60V 1/04, В63В 1/38 от 17.01.2018).
Такая конструкция позволяет с воздушной прослойкой под днищем обеспечивает снижение сопротивления трения в широком диапазоне скоростей движения судна, и повышения эксплуатационных характеристик судна на сжатом пневмопотоке.
Недостатком данного покрытия является невозможность образовывать эффекта инжекции вызванной крейсерской скоростью, которая должна создавать разряжение за каждым нижним концом криволинейной пластины при поступлении сжатого воздуха в поперечные каналы корпуса судна. При этом в предложенном устройстве между концом криволинейной пластины и наружной изогнутой пластины с уступом образуется вакуумная вихревая зона, создающая условия для образования мелкодисперсной воздушно-капельной среды пограничного слоя под днищем судна, а это в то же время уменьшает затраты энергии необходимой для поступления через впускные каналы (щели) из пневмоканала в своей подводной части по его длине заканчивающейся в кормовой части судна.
Указанные отличия - использование поперечных криволинейных пластин для образования днища пневмоканала с криволинейным профилем в сечении относительно днища корпуса судна, конструктивно их выполнение связано из последовательно собранных криволинейных в сечении пластин, за счет чего образуется воздушный канал, в который поступает сжатый воздух из пневмоканала закрытого в носовой части судна (от соосного импеллера), а значит, образуется вихревая зона в конце криволинейной пластины со стороны выпуклости последующей пластины в продолжении пневмоканала в сторону опорной поверхности воды в виде мелкодисперсной воздушно-капельной среды, т.е. образуется аэрированная «воздушная подушка» в виде смазки. Кроме того, вакуумная вихревая зона создает избыточное давление под днищем, поднимая несколько выше судно над опорной поверхностью воды. Газовоздушный поток создает реактивную подушку, позволяющую осуществлять форсированные режимы по тяге и для получения подъемного и тягового усилия в движении судна.
Судно, погруженное до определенного предела, называемое грузовой ватерлинии имеет достаточный запас плавучести. При этом указанные по профилю днища корпуса определенной формы, нижние концы пластин выравниваются по длине относительно днища пневмоканала, выполненные в виде изогнутых поперечных пластин, по бокам ограничены боковыми скегами, расположенные несколько ниже ватерлинии, препятствуют срыву (растеканию) вихревой зоны в поперечных выпускных каналах с вихревой зоной, а также не дают вихревой зоне распластанность, при этом тонким слоем увлекается под днищем пневмоканала в сторону кормовой части.
Таким образом, поперечные каналы под днищем, оборудованные из последовательно собранных в сечении пластин с выпрямлением их дна, направленных от носовой части в сторону кормовой части, образуют таким образом, под днищем пневмоканала дополнительно воздушный канал с переходом в вихревую зону, создавая условия для вовлечения воздуха за счет вакуума по мере необходимости, и уменьшая затраты энергии необходимой для поступления воздуха в пневмоканал, а значит, работа соосного импеллера улучшается по производительности всасывания воздуха из атмосферы, в результате далее образуется мелкодисперсная воздушно-капельная среда под спрямленным дном пластин, образующих воздушный канал. Сама конструкция устройства уменьшает сопротивление движению судна предложенной криволинейной в сечении формы и повышает устойчивость по курсу. Оно имеет практическую реализацию, просто в исполнении. В целом повышаются сроки эксплуатации, и обуславливает усовершенствование с целью эффективности динамической подушки, а также с повышенными скоростными возможностями.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявляемому изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии «новизна».
Задача изобретения - повышение эффективности динамической воздушной подушки и снижения сопротивления воды движению судна, а также подъемной и тяговой силы с повышенными скоростными возможностями.
Технический результат от использования изобретения заключается в создании днища пневмоканала с поперечными выпускными каналами, которые огибают криволинейное жесткое днище его повторяющим поперечное сечение жесткого днища корпуса судна, поперечные каналы которых имеют криволинейные пластины с удлинением их дна в сторону кормы, образования воздушных каналов, далее между ними вихревой вакуумной зоны при движении судна на сжатом пневмопотоке, днища которых образуют единую замкнутую обтекаемую форму на всей площади днища корпуса и днища пневмоканала и, полость пневмоканала соединена с закрытым напорным участком и с соплом соосного импеллера в широком диапазоне скоростей со стороны высокого давления воздуха (газодинамической струи).
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке с нагнетателем воздуха высокого давления в виде импеллера с соплом, рулевым устройством, бортовыми скегами, отличающееся тем, что жесткое днище корпуса судна выполнено в поперечном сечении криволинейной формы с выпуклостью в сторону опорной поверхности воды и снабжено огибающими его по всей длине поперечными сквозными воздушными выпускными каналами в днище пневмоканала, охватывающего поперечное сечение жесткого днища корпуса судна в подводной части ниже ватерлинии, причем поперечные сквозные воздушные выпускные каналы образованы последовательно прикрепленными к днищу пневмоканала криволинейными в сечении пластинами, ориентированными свободными удлиненными концами по направлению к кормовой части, и в эти каналы поступает сжатый воздух из пневмоканала с образованием вихревой зоны в конце криволинейной пластины со стороны выпуклости последующей пластины, и как следствие, получением для корпуса судна мелкодисперсной воздушно-капельной среды с пограничным слоем в виде воздушной смазки.
Реализация отличительных признаков изобретения обуславливает также появление важных свойств объекта: происходит сопротивление появление пограничной мелкодисперсной воздушно-капельного слоя между дном криволинейных пластин прикрепленных к днищу пневмоканала и опорной поверхности воды, которые существенно снижают гидродинамическое сопротивление всего судна, что увеличивает скорость в движении судна. Одновременно включая часть отбора сжатого воздуха по длине пневмоканала с поперечными каналами, воздух из сопла импеллера, который поступает в пневмоканал, далее от отбирается частично по его длине, жесткого днища пневмоканала охватывающего жесткое днище корпуса судна криволинейной в поперечном сечении формы, т.е. выполненное определенной формы. Судно скользит на тонком слое под днищем пневмоканала и опорной поверхности воды соответствующего увеличения и подъемной силы, при этом отсутствует сильное «проваливания» в толщу воды.
Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Изложенное выше позволяет, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 схематически изображен вид сбоку с вырезом в борту с поперечными каналами и с пневмоканалом, в который поступает сжатый воздух; на фиг. 2 изображен вид сверху с вырезом в верхней части корпуса, разрез Α-A на фиг. 1; на фиг. 3 показано сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 показано сечение В-В на фиг. 3; на фиг. 5 показан вид на кормовую часть судна с рулем.
Предлагаемое изобретение - устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке содержит корпус 1, импеллер (не показан) в носовой части 2 судна, где движение происходит в закрытом пространстве, нижняя часть жестко днища 3 судно дополнительно имеет прямолинейный пневмоканал 4. Жесткое днище 3 судно выполнено в поперечном
сечении криволинейной формы с выступающим днищем 3, и оно снабжено огибающим его по всей длине поперечными сквозными воздушными выпускными каналами 5 (щелями) в днище пневмоканала 4 с прикрепленными криволинейными пластинами 6, направленными в сторону кормовой части, и образующие между ними поперечные воздушные выпускные каналы 7 под днищем пневмоканала 4. Область воздушной подушки под днищем пневмоканала 4 разделена на среднюю 8 и боковые 9 зоны посредством боковых скегов 10 и 11. Носовая заостренная часть 2 судна представляет собой сверху нишу (не показано) в которую обеспечивается поступление воздуха с помощью соосного импеллера (не показано) в сторону прямолинейного пневмоканала 4, что существенно снижает потери давления при нагнетании воздуха. Жесткое днище 3 корпуса 1 судна, которое выполнено в поперечном сечение криволинейном в форме полукруга, имеет в своем основании в сторону опорной поверхности воды некоторую часть удлинение дном 12 для образования под ним по всей длине днища пневмоканала 4 слоя воздушно-капельной среды со стороны касания с опорной поверхностью воды, и конец 13 криволинейной пластины в виде удлиненного дна 12 расположен несколько ниже, чем изогнутая наружная плоскость последующей друг за другом пластины 6, между которыми образуется (создается) вихревая зона 14 (перед выступом), а на поверхности удлиненного конца 12 со стороны опорной поверхности воды образуется мелкодисперсная воздушно-капельная среда.
Прямоточный пневмоканал 4 с помощью соосного импеллера (не показан) дает своим положением возможность свободного и сжатого прохода большей части воздушного потока и выпуска, затем потока сзади кормовой части судна между двумя рулевыми устройствами 15 и 16 для обеспечения управляемости судном на сжатом пневмопотоке. Рулевые устройства 15 и 16 со стороны концов скегов сзади содержат щитки 17 и 18 ограничивающих общий канал 19 выхода общего воздуха, в результате чего также образуется один общий газоводяной поток по центру сзади кормы со стоны пневмоканала 4. Ось вращения рулей 15 и 16 соединены сверху на палубе с регулируемыми тягами 20 и 21 соединены в одном узле 22 для соединения с общей тягой управляемой экипажем (аналогично рулю автомобиля).
В вертикальном положении щитки 17 и 18 целесообразно выполнять с гидроцилиндрами (не показано), чтобы обеспечить их общий свободный вертикальный ход при встрече с препятствиями в воде, по льду и на земле. Кроме того, желательно нижние концы щитков 17 и 18 выполнять не ниже концов скегов.
При транспортировке судна на автотранспорте могут щитки складываться, т.е. убраны таким образом, чтобы устранить их возможность от поломок (не показано).
Форма конструкции рулевых щитков 17 и 18, соответственно, одинаковой конструкции позволяет обеспечить устойчивые повороты судна при повороте щитков 20…30° относительно вертикальных их осей с креплением в кормовой части судна, с возможностью при повороте использовать как воздух, так и толщу воды.
В кормовой части корпуса целесообразно закрепить горизонтальный потоконаправляющий элемент, выполненный П-образного козырька 23 наклоном 20…30° к корпусу крепления кормовой части, который образует защитный экран сверху частично с боков в кормовой части судна, шириной равной расстоянию до расположения рулевых устройств со щитками, а также возможность выходящего сжатого потока направить в опорную поверхность воды, что создает на усилие и продолжение выхода газоводяного потока в атмосферу, и отсутствует залив палубы сзади кормы.
При работе соосного импеллера засасывание и выпрямление воздуха из окружающей среды в закрытый участок его происходит через решетку (не показаны).
К днищу пневмоканала 4 закреплены жесткие криволинейные пластины 6, образующие под днищем поперечные сквозные воздушные выпускные каналы 7 под днищем пневмоканала 4 для впуска и заполнения контура поперечных каналов, криволинейные пластины 6 по форме создают закругленную часть 24 в сторону носовой части корпуса криволинейной пластины 6, что существенно снижает потери трения движения и образования тем самым в изгибах воздушных каналах 7 вихревой зоны 14. Этим самым происходит дополнительно вовлечение воздуха из воздушных каналов 7 за счет вакуума в них, при этом концы боковых скегов 10 и 11 расположены ниже этой вихревой зоны 14, не теряя в стороны снаружи выхода за борта скегов мелкодисперсную воздушно-капельную среду. Число и размеры поперечных сквозных воздушных выпускных каналов 7 (щелей), через которые проводится сжатый воздух, выбираются таким образом, чтобы обеспечить равномерную подачу воздуха в сквозные воздушные каналы 7 по длине и ширине пневмоканала 4 в сторону опорной поверхности воды. Судно фактически создает воздушную прослойку, образуя пограничный мелкодисперсный воздушно-капельного слоя при контакте с опорной поверхности воды по всему периметру под днищем пневмоканала 4, что также увеличивает и подъемную силу судна, как и вихревая зона 14 за счет давления на опорную поверхность воды и большую реактивную тягу.
Устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке работает следующим образом.
При работе соосного импеллера (не показан) поток сжатого воздуха в начале разгона поступает в прямолинейный пневмоканал 4. Во время глиссирования носовая часть судна начинает, находится над поверхностью воды. Одновременно часть потока выбрасывается в сторону кормовой части в атмосферу, при этом создается движущая сила. Судно отрывается от опорной поверхности и начинает двигаться вперед. Для поворота судна используют рулевые устройства 15 и 16.
При движении судна на сжатом пневмопотоке по воде происходит поступление другой части воздуха в поперечные сквозные воздушные выпускные каналы 7 по наклонной плоскости криволинейных пластин 6, охватывающих жесткое днище пневмоканала 4. При движении судна и поступление воздуха под днище пневмоканала 4 за воздушными каналами 7 при удлинении конца криволинейных пластин 6 в сторону наружной изогнутой стороны следующей пластины 6 набегая на уступ, и образовывается вакуумная вихревая зона 14, т.е. начинает образовываться вращение потока и разряжение, которое всасывает воздух и подает его под дно конца удлиненной пластины 6. Корпус судна получает мелкодисперсную воздушно-капельную среду с пограничным слоем в виде воздушной смазки, что увеличивает скорость, соответственно, уменьшает сопротивление движению судна. Минимальный дифферент и воздушная смазка позволяет судну, практически с началом движения выходить на глиссирование. Поток воздуха при этом создает давление и направляется далее в сторону кормовой части судна, судно начинает ускоренное движение. Процесс движения судна на сжатом пневмопотоке также связан с включением в работу, воздух, который в конце пневмоканала 4 выходит в кормовую часть канала между рулевыми устройствами 15 и 16 со щитками 17 и 18. При движении судна над неровной поверхностью благодаря изогнутой части длины криволинейной пластины огибает поверхность, учитывая среднюю 8 зону, и крайние 9 зоны днища корпуса судна, без ударных воздействий и существенных усилий, что обеспечивает возможность эффективного использования судна на сжатом пневмопотоке в условиях волнения водной поверхности, а также наличия нервностей на суше. В результате чего воздух, который создает при наборе крейсерской скорости, дополнительно в работу включается эффект инжекции вызванной скоростью протекания воды относительно днища пневмоканала 4 скреплением к ему криволинейной формы и удлиненного конца 13 пластин 6 в сторону последующей криволинейной пластины 6, их крепления в сторону кормовой части судна, где за каждой пластиной 6 образуется вакуумная вихревая зона 14, сохраняя «воздушную смазку», т.е. для соответствующего увеличения подъемной силы в рабочем положении движения судна, где создается общая тяга по всей длине в сторону кормовой части судна, и образование воздушной смазки под дном 12 пластины 6. Таким образом, сопротивление трения подводной смоченной части корпуса судна резко уменьшено за счет наличия пограничного мелкодисперсного воздушно-капельного слоя с образованием динамической воздушной подушки. Кроме этого высокая скорость судна на волнении обеспечивается острым формированием носовой части судна, а также его обтекаемой конструкции надстройки. При движении на высокой скорости судно острым углом прорезает волну, не успевая, вследствие инертности, реагировать на циклические изменения сил поддержания, что обеспечивает пассажирам и экипажу комфортность при движении с высокой скоростью по волнам.
Таким образом, в результате с внешней стороны подводной части днища пневмоканала, охватывающего жесткое днище корпуса судна с закрепленными криволинейными пластинами и образования поперечных воздушных каналов, создание вакуумной вихревой зоны, а значит создания мелкодисперсной воздушно-капельной среды, судно получает высокую скорость при движении на воде. Количество поперечных воздушных каналов, выпускающих воздух из днища пневмоканала, выбирается так, чтобы вся закрытая часть днища корпуса была ими охвачена. В этом случае создаются лучшие условия по всему периметру в поперечном сечении криволинейной формы с выступающим днищем над опорной поверхностью воды и его огибающим пневмоканалом для снижения в целом гидродинамического сопротивления днища корпуса судна между боковыми скегами внутри и с наружи ниже ватерлинии, даже в момент воздействия волны, создает воздушную смазку при движении судна.
Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения и достаточны для его практической реализации при разработке и изготовлению судна на сжатом пневмопотоке.