Эжекторный двухконтурный водометный движитель для подводных аппаратов
EJECTOR TWO-CIRCUIT WATER JET PROPELLER FOR UNDERWATER VEHICLES

Изобретение относится к судостроению, преимущественно к конструкции водометного движителя для подводных аппаратов, и может быть использовано для надводных судов со сравнительно большой осадкой.
Известен водометный движитель для подводной лодки проекта 941 «Акула», содержащий два низкооборотных малошумных семилопастных гребных винта фиксированного шага, каждый из которых для уменьшения уровня шума помещен в кольцеобразную насадку, расположенные в кормовой оконечности подводной лодки (Подводные лодки проекта 941 «Акула» / Википедия / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL:: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B4%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BB%D0%BE%D0%B4%D0%BA%D0%B8_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B0_941_%C2%AB%D0%90%D0%BA%D1%83%D0%BB%D0%B0%C2%BB#.D0.9A.D0.BE.D1.80.D0.BF.D1.83.D1.81 (дата обращения: 28.06.2016). - Загл. с экрана).
Основным недостатком известного водометного движителя для подводной лодки проекта 941 «Акула» является малая сила тяги при сохранении затрат энергии на гребном винте и, следовательно, пониженная максимальная крейсерская скорость движения подводной лодки, так как гребной винт, помещенный в кольцеобразную насадку, всегда снижает максимальный гидродинамический коэффициент полезного действия из-за сравнительно большого гидравлического сопротивления (О работе винта, помещенного в кольце. Кольцевое крыло / [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL: http/www.stroimsamolet.ru/069.php (дата обращения: 28.06.2016). - Загл. с экрана).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является одновальный водометный движитель для подводной лодки, принятый за прототип, содержащий кольцеобразный корпус, являющийся основным, с кольцеобразным внутренним контуром для движения водных потоков, образованным внутренней поверхностью последнего. В основном кольцеобразном корпусе последовательно расположены водозаборник с аэродинамическими профилированными направляющими лопатками, жестко соединяющими основной кольцеобразный корпус с кормовой оконечностью подводного аппарата, гребной винт, спрямляющие профилированные лопатки и реактивное сопло, установленное на выходе из корпуса (АПЛ проекта 955 «Борей» «Юрий Долгорукий» / [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL: http://flotproekt.ru/35-proekta-955-borey.html (дата обращения: 28.06.2016). - Загл. с экрана).
В качестве основных недостатков, ограничивающих функциональные возможности описанного одновального водометного движителя для подводной лодки, можно отметить малую тягу при сохранении затрат энергии на гребном винте и невысокие пропульсивные характеристики движителя, обусловленные отсутствием управления вектором тяги при относительно небольшой массе истечения потока воды через реактивное сопло.
В основе изобретения лежит техническая проблема увеличения тяги при сохранении затрат энергии на гребном винте и управлении вектором тяги за счет величины протекающей массы водного потока, а также повышения пропульсивных характеристик движителя, приводящего к существенному улучшению тактико-технических характеристик подводного аппарата, путем изменения направления течения водной струи из реактивного сопла относительно оси симметрии движителя.
Поставленная задача решается тем, что эжекторный двухконтурный водометный движитель для подводных аппаратов, содержащий основной кольцеобразный корпус с кольцеобразным внутренним контуром для движения водных потоков, образованным внутренней поверхностью последнего, в основном кольцеобразном корпусе последовательно расположены водозаборник с аэродинамическими направляющими лопатками, жестко соединяющими основной кольцеобразный корпус с кормовой оконечностью подводного аппарата, гребной винт, спрямляющие профилированные лопатки и реактивное сопло, согласно изобретению снабжен дополнительным кольцеобразным корпусом с кольцеобразным наружным контуром для движения водных потоков, образованным внешней поверхностью основного кольцеобразного корпуса и внутренней поверхностью дополнительного кольцеобразного корпуса. При этом дополнительный кольцеобразный корпус жестко соединен с внешней поверхностью основного кольцеобразного корпуса разделительными ребрами аэродинамического профиля и установлен соосно основному кольцеобразному корпусу со смещением введенного в устройство водозаборника дополнительного кольцеобразного корпуса относительно водозаборника основного кольцеобразного корпуса с образованием после гребного винта общего среза реактивного сопла основного кольцеобразного корпуса и введенного в устройство реактивного сопла дополнительного кольцеобразного корпуса. Введенное в устройство регулируемое реактивное сопло сформировано реактивными соплами основного и дополнительного кольцеобразных корпусов и введенной в устройство камерой смешения, выполненной в виде участка дополнительного кольцеобразного корпуса. По образующей камеры смешения имеются отверстия с подвижными регулируемыми заслонками. Перед введенными в устройство спрямляющими профилированными лопатками в критическом сечении сопла установлена ирисовая диафрагма, и на выходе регулируемого реактивного сопла по оси симметрии закреплен каплевидный обтекатель.
Основной и дополнительный кольцеобразные корпуса могут быть выполнены в виде конусов, сходящихся в направлении выхода регулируемого реактивного сопла.
Увеличение тяги и улучшение пропульсивных характеристик движителя при сохранении затрат энергии на гребном винте во внутреннем контуре, предназначенном для движения высоконапорного водного потока, обусловлено введением регулируемого реактивного сопла в виде эжектора, который сформирован реактивными соплами основного и дополнительного кольцеобразными корпусами после гребного винта основного корпуса и введенной в устройство камерой смешения, выполненной в виде участка дополнительного кольцеобразного корпуса после среза названных реактивных сопел, с установленными в наименьшем поперечном сечении регулируемого реактивного сопла ирисовой диафрагмы и на выходе из регулируемого реактивного сопла - каплевидного обтекателя. Дополнительная эжекция массы водного потока из внешней окружающей водной среды, возникающая при использовании введенного в движитель регулируемого реактивного сопла в виде эжектора для обеспечения движения дополнительного скоростного водного потока по наружному контуру, существенно увеличивает тягу при сохранении затрат энергии на гребном винте, а каплевидный обтекатель препятствует сужению, то есть уменьшению эффективной площади водной струи, сопровождаемой уменьшением скорости увеличенной массы водного потока за регулируемым реактивным соплом, и результатом является повышение пропульсивных характеристик, существенно улучшающих тактико-технические характеристики подводного аппарата. Ирисовая диафрагма, установленная в наименьшем поперечном сечении регулируемого реактивного сопла, позволяет плавно изменять величину площади поперечного критического сечения сопла и таким образом управлять вектором тяги по величине. При частичном или полном закрытии ирисовой диафрагмой поперечного критического сечения регулируемого реактивного сопла скоростной водный поток, вытекающий из внутреннего контура основного кольцеобразного корпуса через реактивное сопло в камеру смешения, направляется в наружный контур дополнительного кольцеобразного корпуса и через водозаборник вытекает во внешнюю окружающую водную среду, и возникающая тяга приводит в движение аппарат в противоположном направлении крейсерскому режиму движения. Осесимметричное отклонение реактивного водного потока можно добиться с помощью гидродинамического управления вектором тяги за счет асимметрической подачи управляющей водной струи в тракт регулируемого реактивного сопла. Неосевое истечение из камеры смешения водного потока и действие его под углом в направлении к оси регулируемого реактивного сопла на высокоскоростной водный поток, вытекающий из внутреннего контура через сопло, происходит в результате направленного действия управляющей струи воды, подаваемой через отверстия в дополнительном корпусе камеры смешения, открытие и закрытие которых осуществляется подвижными регулируемыми заслонками.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого эжекторного двухконтурного водометного движителя для подводных аппаратов, у которого основной и дополнительный кольцеобразные корпуса выполнены цилиндрическими, а на фиг. 2 - общий вид предлагаемого эжекторного двухконтурного водометного движителя для подводных аппаратов, у которого основной и дополнительный кольцеобразные корпуса выполнены коническими, сходящимися по направлению к выходному поперечному сечению регулируемого реактивного сопла.
Предлагаемый эжекторный двухконтурный водометный движитель для подводных лодок содержит основной кольцеобразный корпус 1, выполненный профилированным, а именно цилиндрическим, с кольцеобразным внутренним контуром 2 для движения водных потоков, образованным внутренней полостью последнего, дополнительный кольцеобразный корпус 3, выполненный профилированным, а именно цилиндрическим, с кольцеобразным наружным контуром 4 для движения водных потоков, образованным внешней поверхностью основного кольцеобразного корпуса 1 и внутренней поверхностью дополнительного кольцеобразного корпуса 3 (Фиг. 1).
Внутри основного кольцеобразного корпуса 1 последовательно расположены водозаборник 5, аэродинамические направляющие лопатки 6, жестко соединяющие соосно основной кольцеобразный корпус 1 с кормовой оконечностью 7 подводного аппарата, гребной винт 8, спрямляющие профилированные лопатки 9 и реактивное сопло 10.
Дополнительный кольцеобразный корпус 3 жестко соединен с внешней поверхностью основного кольцеобразного корпуса 1 разделительными ребрами 11 аэродинамического профиля и установлен соосно основному кольцеобразному корпусу 1 со смещением введенного в устройство водозаборника 12 дополнительного кольцеобразного корпуса 3 относительно водозаборника 5 основного кольцеобразного корпуса 1 с образованием после гребного винта 8 общего среза реактивного сопла 10 основного кольцеобразного корпуса 1 и введенного в устройство реактивного сопла 13 дополнительного кольцеобразного корпуса 3.
В дополнительном кольцеобразном корпусе 3 расположены водозаборник 12, введенная в движитель камера смешения 14, выполненная в виде участка дополнительного кольцеобразного корпуса 3 после образующих общий срез реактивных сопел 10 и 13, установленных после спрямляющих профилированных лопаток 9 в основном кольцеобразном корпусе 1 и в дополнительном кольцеобразном корпусе 3 соответственно, регулируемое реактивное сопло 15, ирисовая диафрагма 16, спрямляющие профилированные лопатки 17, установленные после ирисовой диафрагмы 16, каплевидный обтекатель 18, закрепленный на выходе регулируемого реактивного сопла 15 по оси симметрии. Регулируемое реактивное сопло 15 сформировано реактивным соплом 10 основного кольцеобразного корпуса 1, реактивным соплом 13 дополнительного кольцеобразного корпуса 3 и камерой смешения 14.
На участке дополнительного кольцеобразного корпуса 3, являющемся камерой смешения 14, по образующей камеры смешения 14 имеются отверстия 19, закрытые подвижными регулируемыми заслонками 20.
Выполнение основного кольцеобразного корпуса 1 и дополнительного кольцеобразного корпуса 3 в виде конусов, сходящихся в направлении выхода регулируемого реактивного сопла 15, компенсирует рост толщины пограничного слоя по длине кольцеобразного внутреннего контура 2 и кольцеобразного наружного контура 4.
Предлагаемый эжекторный двухконтурный водометный движитель работает следующим образом. При запуске во вращательное движение гребного винта 8 создается турбулентное высоконапорное с большим давлением скоростное движение водного потока во внутреннем контуре 2 в направлении реактивного сопла 10. Вследствие неразрывности водной струи происходит непрерывное поступление воды из внешней окружающей водной среды через водозаборник 5 во внутренний контур 2. После гребного винта 8 турбулентный высоконапорный с большим давлением скоростной водный поток, пройдя через спрямляющие профилированные лопатки 9, продолжает ламинарным водным потоком скоростное движение к реактивному соплу 10. В реактивном сопле 10 водный поток движется турбулентно с достаточно большой скоростью, создавая пониженное давление меньше давления водной среды в реактивном сопле 13. Под действием разности давлений между давлением в водной среде дополнительного наружного контура 4, реактивного сопла 13 и меньшим давлением в реактивном сопле 10, происходит всасывание дополнительной массы воды из внешней окружающей водной среды через отдельный водозаборник 12; результатом является то, что в кольцеобразном наружном контуре 4 возникает скоростное движение дополнительной массы водного потока. Дополнительная масса скоростного водного потока вытекает из кольцеобразного наружного контура 4 через реактивное сопло 13 в камеру смешения 14, и происходит смешение со скоростным турбулентным водным потоком, вытекающим из кольцеобразного внутреннего контура 2 через реактивное сопло 10 в камеру смешения 14, а после смешения значительно большая масса водного потока направляется через регулируемое с помощью ирисовой диафрагмы 16 реактивное сопло 15 во внешнюю окружающую водную среду, в котором происходит преобразование кинетической энергии значительной массы скоростного водного потока в энергию давления, существенно увеличивая тягу.
Ирисовая диафрагма 16 позволяет плавно изменять величину площади поперечного критического сечения регулируемого реактивного сопла 15 и таким образом управлять вектором тяги по величине. При частичном или полном закрытии ирисовой диафрагмой 16 поперечного критического сечения регулируемого реактивного сопла 15 скоростной водный поток, вытекающий из внутреннего контура 2, через сопло 10 в камеру смешения 14, направляется в кольцеобразный наружный контур 4 и через водозаборник 12 вытекает во внешнюю окружающую водную среду, и возникающая тяга приводит в движение аппарат в противоположном направлении крейсерскому режиму движения.
Для создания боковой силы тяги необходимо отклонение скоростного водного потока, вытекающего из регулируемого реактивного сопла 15, которое происходит благодаря неосевому истечению скоростного водного потока в камере смешения 14 за счет асимметрической подачи управляющей струи воды через отверстия 19 по образующей камеры смешения 14 и действия ее на скоростной водный поток, вытекающий из кольцеобразного внутреннего контура 2 через сопло 10, под углом в направлении к оси симметрии регулируемого реактивного сопла 15. Открытие и закрытие отверстий 19 в цилиндрической камере смешения 14 осуществляется подвижными регулируемыми заслонками 20.
Каплевидный обтекатель 18 препятствует сужению, то есть уменьшению эффективной площади вытекающего скоростного водного потока из реактивного сопла 15, и приводит к уменьшению скорости увеличенной массы водного потока за соплом 15; результатом является увеличение тяги гребного винта 8 при сохранении на нем затрат энергии и повышение пропульсивных характеристик движителя, существенно улучшающих тактико-технические характеристики подводного аппарата.