Движитель для скоростных судов
PROPULSOR FOR HIGH-SPEED SHIP

Изобретение относится к судостроению и может найти широкое применение при изготовлении скоростных судов всех видов.
Известно, что водный транспорт является самым экономичным. На разных судах устанавливают разные двигатели, но движители почти всегда один - ходовой винт (далее - винт). Однако винт имеет ряд недостатков.
- винт с большой скоростью трется о воду;
- винт закручивает массу воды (отсюда и бурун за кармой);
- часть корпуса судна, находящаяся около винта, всегда находится под водой. Эта часть судна раздвигает большую массу воды (отсюда две расходящиеся волны);
- некоторые физические свойства воды влияют на КПД винта.
Эти недостатки круто уменьшают КПД винта при движении судна с большой скоростью. Приведем некоторые примеры.
1. Пассажирский теплоход проекта 301. Его характеристики:
- водоизмещение - 3570 тонн; максимальная скорость - до 26 км/час, мощность двух двигателей по 736 квт (1000 л.с.) Как видим, при такой большой массе судна мощность двигателей совсем небольшая. Причина - при скорости судна примерно в 15-20 км/час КПД винта приближается к 80%.
2. Современный торпедный катер проекта 12200 "Соболь". Его водоизмещение 57 тонн, максимальная скорость 47 узлов (87 км/час), имеет два двигателя по 1250 квт (1700 л.с). Вот что значит большая скорость! А ведь масса судна в 60 раз меньше массы судна проекта 301. Понятно, что КПД винта при такой скорости очень небольшой. Для сравнения скажем, что тяжелому грузовику такой же массы для движения со скоростью 100 км/час требуется всего 400 л.с.
Кроме винтов на суднах иногда применяют водометные движители и авиационные пропеллеры на судах на воздушной подушке.
3. Современный патрульный катер проекта 20990 "Горностай". Его водоизмещение всего 16,5 тонн, максимальная скорость 52 узла (96 км/час). Катер имеет два двигателя по 809 квт (1100 л.с.) и водометный движитель 1ДГ "Ветус". Как видим, водометный движитель на больших скоростях движения не лучше винта.
4. Судно на воздушной подушке "Сормович". Его водоизмещение 37 тонн, максимальная скорость 100 км/час. Имеет двигатель мощностью 1690 квт (2000 л.с). В итоге характеристики судна также плохие. Прибавим также высокую стоимость судна. Напрашивается вопрос: сколько же топлива "пожирают" скоростные суда?!
В связи с вышесказанным возникает требование искать для скоростных судов какие-то новые, не традиционные движители.
Предлагаемый нами скоростной движитель представляет собой узкую щель под плоским дном судна, а рабочей средой являются продукты сгорания топлива двигателя внутреннего сгорания. Считаем, что такое необычное решение позволит судну развивать скорость более 100 км/час при сравнительно небольшой мощности двигателя.
Устройство движителя
Устройство движителя для скоростных судов показано на фиг. 1
Корпус судна 1 имеет широкое плоское дно. Непосредственно на дне судна находится двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 2, причем расположен ДВС в передней части дна в максимальной близости выпускных отверстий к дну. Короткий выпускной патрубок двигателя 3 переходит в узкую щель 4, имеющую высоту всего в несколько миллиметров и длину во всю ширину дна судна. ДВС предназначенный для применения на судне, немного изменен. В каждый цилиндр установлен третий клапан, названный нами рабочим и именно через него идут продукты сгорания топлива на движитель. А выпускной серийный клапан служит для полной очистки цилиндра в конце такта выпуска.
Работа движителя
На фиг. 2 показана в увеличенном масштабе щель 4 выпускного патрубка 3. Тяговое усилие, создаваемое рабочей средой выходящими через рабочий клапан продукты сгорания топлива равно: Р=pbh
где: р - среднее давление выходящих газов;
b - длина щели (равная ширине судна);
h - высота щели.
По нашим подсчетам, которые мы здесь не приводим, этого усилия вполне достаточно для движения судна со скоростью более 100 км в час. Здесь надо учесть, что выходящие газы создают под дном тонкий слой водо-газовой эмульсии 5, коэффицент трения дна о которую значительно меньше, чем коэффицент трения о воду.
На фиг 3 показана часть диаграммы рабочего цикла ДВС ВАЗ-2106. В измененном двигателе открытие рабочего клапана происходит в точке А еще до догорания рабочей смеси (она догорает в патрубке 3) и до достижения максимального давления Р max.
На фиг 3 кривая 6 - это часть диаграммы серийного двигателя, а кривая 7 - это диаграмма работы двигателя с рабочим клапаном. Заштрихованная площадь между кривыми 6 и 7 представляет собой энергию сгоревшего топлива, идущего на движитель судна.
Точка открытия А и точка закрытия Б рабочего клапана должны быть подсчитаны теоретически и определены практически. Большая часть энергии сгорания топлива должна идти на движитель, а меньшая на вращение механизмов двигателя.
Моменты открытия и закрытия выпускных и впускных клапанов не меняются или меняются незначительно.
Заводится двигатель при неработающих рабочих клапанах. Начало движения судна - включение рабочих клапанов. При гидроприводе клапанов это сделать нетрудно.