ПРОПУЛЬСИВНЫЙ КОМПЛЕКС ТОРПЕДЫ, СПОСОБ РАБОТЫ И ВАРИАНТЫ ДВИЖИТЕЛЯ
PROPULSIVE TORPEDO COMPLEX, METHOD FOR OPERATION AND VARIANTS OF A PROPULSOR

Изобретение относится к военной технике, может быть применено в военно-морской технике, преимущественно в торпедах, в том числе и микроторпедах, антиторпедах, самодвижущихся минах, средствах гидроакустического противодействия, а также в качестве двигательных и/или движительных устройств в автономных подводных аппаратах военного и гражданского назначения.
Торпедное оружие является основным и наиболее эффективным средством борьбы с подводными лодками и надводными кораблями. Миниатюризация торпед обосновывается наличием целей, для которых использовать тяжелые торпеды нецелесообразно, например, мины, буи, гидроакустические станции, использовать как имитатор, или для ведения подводного минирования. В этом случае из-за малых габаритов изделия усложняется обнаружение опасности противником, появляется возможность создавать более обширные минные поля.
Конструкция микроторпеды требует компромиссных и нестандартных решений для устранения технических противоречий, таких, как максимальное уменьшения ее диаметра с увеличением мощности анаэробного двигателя, а также применение движителя, способного не выступать за габариты корпуса, но способного обеспечить высокую скорость. Увеличение боекомплекта торпед, используемых в качестве антиторпед на подводной лодке, где имеется дефицит свободных объемов, или увеличения боекомплекта торпед на самолетах ПЛО, требует от последних исполнения их в виде микроторпед - т.е. уменьшения поперечных размеров, что равносильно снижению веса. Это сопряжено с трудностями выбора энергоустановки, отвечающей назначению по мощности, бесшумности и анаэробности. При этом также необходимо соблюсти требование по повышению точности попадания микроторпеды, чтобы обеспечить небольшим объемом боевого снаряжения надежное поражение цели. Для этого необходимо придать микроторпеде высокую скорость, маневренность и обеспечить бесшумность хода, чтобы не дать возможность атакуемой торпеде определить атаку на нее и выполнить противоторпедный маневр. Бесшумность антиторпеды также повышает вероятность обнаружения и определения ею местоположения малошумных «тяжелых» торпед в пассивном режиме, а увеличенный боекомплект микроторпед обеспечит синхронизированную групповую атаку цели с повышенной вероятностью ее поражения.
Но разработка микроторпед сопряжена с трудностями расположения сколь-нибудь мощного двигателя в сравнительно небольшом объеме, который можно выделить в ее объеме для размещения силовой установки, что значительно усложняет разработку двигателя большой мощности, обеспечивающего высокую скорость, дальность хода, скрытность, диапазон рабочих глубин, а высокий КПД силовой установки позволяет при данных запасах энергокомпонентов достичь большей скорости и дальности хода торпеды.
До настоящего времени в торпедах двигатели, работающие по замкнутому циклу, пока, видимо, не состоялись, а наибольшее распространение в торпедах получили газотурбинные установки и аксиальные поршневые расширительные машины открытого цикла на топливе типа Otto-Fuel II с преобразователем движения в виде косой или качающейся шайбы. Для получения высокой мощности от таких двигателей требуется создание высокого давления рабочего газа в рабочих объемах двигателя, которое, на больших глубинах нужно еще и для преодоления давления среды, поэтому в больших объемах уходит за борт в качестве выхлопа, уменьшая дальность хода и скорость торпеды. При этом суммарной рабочий объем цилиндров получить в максимальной степени затруднительно. Эти силовые установки имеют значительную сложность механизмов, большой вес и объем, неуравновешенность вследствие наличия значительных некомпенсированных инерционных сил, а также пониженную эффективную мощность за счет работы по двухтактному термодинамическому циклу, т.к. однотактный организовать в таких двигателях сложно и нецелесообразно. Применение электродвигателей в качестве силовой установки в микроторпедах затруднено тем, что плечо вращающего момента мало.
Как известно, в настоящее время на торпедах в качестве движителей используются в основном гребные винты или осевые водометные движители.
Однако при больших скоростях КПД гребных винтов существенно уменьшается, рулевые устройства увеличивают гидродинамический шум, также как и выход воды из сопла водометного движителя. При одном рабочем колесе требуется мощный спрямляющий аппарат.
Известна однорежимная тепловая торпеда калибра 324 мм МК-46, разработанная в США - (JANE S weapon systems 1979-80 «Справочник систем вооружений»). В этой торпеде используется энергетическая установка в составе резервуара жидкого унитарного (однокомпонентного) топлива Otto-fuell и двухвальный биротативный аксиально-поршневой двигатель с неподвижной камерой сгорания и механизмом газораспределения по цилиндрам двигателя. Движитель - двухвальный винтовой.
Известна американская многорежимная тяжелая торпеда калибра 533 мм МК-48 (1. JANE'S weapon systems 1979-80. 2. Рекламный проспект "Heavyweight Torpedo МК-48. ADCAP. United States Navy" (тяжелая торпеда MK-48. ADCAP. Военно-морской флот США). 3. Судостроение за рубежом, №4. К. Зарубежная военно-морская техника, 1991, №6). В энергетической установке этой торпеды используется то же топливо, что и в МК-46, и одновальный аксиально-поршневой двигатель с вращающимися камерой сгорания и механизмом газораспределения. Движитель - водомет.
К недостаткам этой торпеды (как и МК-46) следует отнести:
- унитарное (однокомпонентное) топливо Otto-fuell является небезопасным и требует оснащения участков заправки и разрядки энергетических отделений в промышленности и на флотах сложным пожарно-взрывобезопасным и экологически чистым оборудованием;
- сложность конструкции и трудоемкость самого резервуара топлива и системы его подачи в камеру сгорания поршневого двигателя в составе устройства наддува резервуара, высоконапорного насоса и регулирующих устройств;
- одновальный аксиально-поршневой двигатель имеет, как правило, двухтактный термодинамический цикл, при этом суммарная площадь поршней двигателя, на которые передается высокое давление для производства работы, существенно меньше площади поперечного сечения торпеды, к тому же воздействие высокого давления осуществляется только на половину поршней, которые опускаются, а поднимающиеся поршни в процессе производства работы не участвуют, но отнимают мощность тем, что выталкивают под высоким остаточным давлением отработанный газ в плотную окружающую среду.
Известна «Энергетическая установка с двигателем Стирлинга и промежуточным теплоносителем» (патент РФ 226353), в которой от воспламенительного устройства воспламеняется термитное топливо в тепловом генераторе. Теплота сгорания топлива передается через тепловую трубу к стенкам нагревателя двигателя Стирлинга, что обеспечивает его пуск. Для охлаждения двигателя Стирлинга используется холодильник, через который подается охлаждающая среда. Повышается скорость запуска и управляемость двигателя.
Недостатком этого решения является то, что конструкция двигателя не прописана, а избыточно высокая температура горения термита может разрушить тепловой генератор и тепловую трубу, температура плавления компонентов которых ниже, что не позволит обеспечить передачу слишком высокой температуры в нагреватель рабочего тела, а также трудность воспламенения, подачи термитного топлива, непродолжительность его горения и удаления золы от стенок нагревателя, потребует наличия сложных устройств.
Известен двухтактный двигатель Стирлинга α-типа (https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга, https://szemp.ru/raznoe/kak-rabotaet-dvieatel-stirlinga.html), принятый в качестве прототипа двигателя, содержащий два раздельных цилиндра, установленных V-образно, в которых установлены поршни, рабочий - в горячем цилиндре, и вытеснитель - в холодном. Переменные объемы цилиндров соединены каналом, в котором установлен тепловой преобразователь. У данного двигателя достаточно большое отношение мощности к объему.
Недостатками такого двигателя является его пространственная конфигурация, невозможная для использования в микроторпеде. Синхронизация термодинамического цикла посредством кривошипно-шатунного механизма без выстоя поршней недостаточно оптимальна, т.к. такты цикла накладываются один на другой, а тепловой преобразователь температуры рабочего тела работает в неблагоприятных условиях. Такая конфигурация делает трудным оборудование двигатель поршнями двухстороннего действия, чтобы получить однотактный цикл и дополнительную мощность.
Двигателей с внешним подводом теплоты с использованием цикла Стирлинга, применяемых в торпедах, найти не удалось.
Известен «Зубчато-рамочный преобразователь движения» (патент RU 2266446), используемый в изобретении как один из вариантов преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащий одну зубчатую рамку с системно бесконечной внутренней или внешней зубчатой нарезкой, состоящей из двух зубчатых реек, концы которых соединены между собой переходными участками, образующими плавные перекаты для ведомой ими силовой шестерни с одной зубчатой рейки на другую, и оборудованную профилированной поверхностью для перекатывания по ней удерживающего ролика. Движет рамку приводной шток, сочлененный с возможностью ее вращения. Одна зубчатая рейка рамки всегда находится в зацеплении с ведомой шестерней и посредством удерживающего ролика, удерживаемого водилом, посаженным на силовой вал. Переходные участки зубчатой рамки в поперечной проекции выполнены с радиальными, относительно оси вращения зубчатой рамки, закруглениями, преимущественно совпадающей с продольной осью приводного штока, при этом зубчатые рейки обладают возможностью поворота на угол, который обеспечивает их полное зацепление с ведомой шестерней. Технический результат заключается в повышении эксплуатационных качеств.
Известен прямоточный неуправляемый водометный движитель, установленный в торпеде «Физик» (Экспортный вариант этой торпеды имеет обозначение УГСТ, http://militaryrussia.ru/blog/wartools.ru/i/i/topic-455.html), принятый в качестве прототипа движителя, состоящий из сопла, гребного винта с валом, спрямляющего аппарата, а для руления в толще воды - выдвижными рулями.
Недостатком такого водомета является отсутствие возможности всеракурсного изменения вектора тяги, что вынуждает устанавливать выдвижные рули, которые создают гидродинамический шум.
Известен водометный движитель производства «ООО ППС» г. Минусинск (http://siberiajets.narod.ru/), оборудованным щелевидным триммером, устанавливаемым на спрямляющий аппарат, у которого поджатие струи осуществляется щелевым соплом, выполненным вертикально подвижным, а курсовое управление и двумя клиновыми рулями, установленными в сопле.
Недостатком этого решения является то, что углы вертикального отклонения и поворота небольшие, а металлическое сопло и рулевой механизм сложны и трудоемки, имеют большой вес и габариты.
Известен Гребной винт (https://sudostroenie.info/novosti/24255.html), назначение которого состоит в создании упорного давления, необходимого для приведения в движение судна, посредством вращения которого каждая лопасть захватывает массу воды и отбрасывает ее назад, сообщая ей заданный момент импульса - сила реакции этой отбрасываемой воды передает импульс лопастям винта, лопасти, в свою очередь, - гребному валу посредством ступицы, и гребной вал, далее, корпусу судна посредством главного упорного подшипника. Большое значение имеет и угол атаки профиля лопасти (α), который должен находится в пределах 4-8 градусов. Повышение этого значения приведет к увеличению крутящего момента, а значит, производительность двигателя будет затрачиваться впустую. При снижении возникнет обратная ситуация: уменьшатся подъемная сила и упор, что приведет к недоиспользованию мощности двигателя.
Известен винт регулируемого шага (https://sudostroenie.info/novosti/24255.html), который предполагает возможность изменения поворота лопастей в ступице. Крепление составляющих винта производится таким образом, что благодаря особому приводу лопасти могут вращаться вокруг своей оси и, при необходимости, менять угол атаки. Достигается эта возможность механизмом изменения шага.
Недостатки винта регулируемого шага состоят в сложности изготовления и монтажа, а также требует увеличения размеров ступицы, в которой нужно размещать механизм поворота лопастей.
Известны движители в виде соосно расположенных гребных винтов (http://www.barque.ru/shipbuilding/1979/coaxial_propellers) разнонаправленного вращения, принятые в качестве прототипа, которые уменьшают потери на закручивание струи за гребным винтом, являющиеся одним из основных видов потерь энергии, и с увеличением нагрузки на движитель эти потери значительно возрастают. Соосные гребные винту частично используют эту бесполезно затрачиваемую энергию и преобразуют ее в дополнительный упор: задний винт соосного комплекса, вращающийся в противоположном направлении, раскручивает струю, отбрасываемую передним винтом. При этом благодаря более благоприятным условиям работы заднего винта, его упор и КПД становятся больше, чем переднего гребного винта. Благодаря практически полной ликвидации потерь энергии на закручивание струи, снижению концевых потерь (связанных с перетеканием жидкости с нагнетающей на засасывающую поверхность лопасти), а также некоторому уменьшению потерь на трение (за счет работы заднего винта в потоке за передним винтом) КПД соосного комплекса и оказывается на 10-12% выше, чем эквивалентного одиночного винта. Увеличение площади поверхности лопастей соосных гребных винтов и их общего числа не только снижает удельную нагрузку на лопасть, но и уменьшает вибрационные усилия, передаваемые движителем на корпус. Важным достоинством соосных гребных винтов является также и возможность устранения неизбежного при работе одиночного гребного винта реактивного момента, отклоняющего торпеду с курса, вызывающего крен в сторону, противоположную направлению вращения.
Недостатком винтов, при применении их в микроторпеде малого калибра, является их малая ометаемая площадь, требующая высоких оборотов двигателя.
Известны кольцевые насадки (https://sudostroenie.info/novosti/24255.html), предназначенные для повышения эффективности их работы, внутри которых размещается гребные винты.
Недостатки насадок в том, что они используются при необходимости создания дополнительного упора, преимущественно, на малых скоростях хода.
Известен механизм №1514 Кривошипно-ползунный механизм качающейся шайбы (Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Том 2, стр. 497, Справочное пособие для инженеров, конструкторов и изобретателей, М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1979), в котором качающаяся шайба установлена на косом кривошипе свободно и снабжена пальцем, который скользит по неподвижной дуговой направляющей. При вращении косого кривошипа качающаяся шайба совершает колебательное движение относительно точки «О», находящейся на пересечении осей вала и косого кривошипа.
Недостатком механизма является то, что косая шайба не может совершать вращение.
Известен «Волновой антикавитационный гидродвижитель» (патент РФ 2242398), использующий механизм качающейся шайбы, которая выполнена в виде клапанной решетки и выполняющая роль устройства, создающего упор, при этом жестко связанная с приводом ее перемещений. Решетка оборудована клапанами, установленными с возможностью закрывания ее отверстий с одной стороны при перекрывании друг друга. При этом клапанная решетка выполнена в виде качающегося диска с концентрически расположенными отверстиями. Диск размещен внутри гидродинамического кольца, а клапаны выполнены в виде кольцевых оборок-клапанов, внутренние края каждой из которых прикреплены к решетке по кольцу, с возможностью радиального перекрывания своими внешними краями соседних внешних колец оборок-клапанов. Привод выполнен в виде вала, жестко закрепленного в центре диска и в эластичной муфте, установленной на корпусе передачи упора и дающей возможность его перемещения по конической образующей с вершиной в месте закрепления вала на эластичной муфте без возможности его проворачивания относительно своей оси.
Недостатком такого движителя является его низкий пропульсивный КПД, т.к. для уменьшения гидродинамического сопротивления нужны отверстия больших размеров, но при этом потребуются большие по размеру заслонки клапанов, которые будут закрываться не мгновенно, а потребуют для закрытия некоторого паразитного хода диска. При больших частоте и амплитуде качания диска возможно развитие кавитации на его засасывающей стороне.
Известен Дисковый движитель (журнал «Катера и яхты» №21, 1969 год, статья «Повышение проходимости движителей в заросших водоемах», http://www.barque.ru/shipbuilding/1969/increased_permeability_propulsion_overgrown_reservoirs), оказавшийся достаточно работоспособным при эксплуатации среди водорослей, выполненный в виде вращающегося диска, закрепленного под углом 40° на гребном валу, который расположен поперек судна в корме. В воду погружена только нижняя половина диска, на которой и создается упор. Катер с двигателем мощностью 50 л. с, снабженный таким диском диаметром 920 мм, на чистой воде шел со скоростью 12 км/час. В болотах работал удовлетворительно, но скорость хода значительно снижалась. Так как при работе такого диска создается пульсирующий боковой упор, уводящий судно с курса, управляемость катера была плохой. При повышении числа оборотов свыше 1500 об/мин диск поднимает много брызг, упор резко падает. Из-за низкого КПД дисковых движителей дальнейшие их исследования были прекращены.
Прототипов силовых установок торпед с двигателем с внешним подводом теплоты не обнаружено.
Найти близкий аналог качающемуся винту по технической сущности и по достигаемому результату при его использовании не удалось.
Целью изобретения является уменьшение поперечных габаритов, повышение энерговооруженности, увеличение диапазона глубин эксплуатации торпеды.
Указанная цель достигается тем, что в качестве энергетической установки торпеды используется анаэробный однотактный линейный двигатель с внешним подводом теплоты, а в качестве движителя - качающийся винт.
Повышение энерговооруженности торпеды обусловлено тем, что двигатель с внешним подводом теплоты позволяет создать очень высокое давление рабочей среды, воздействующее на увеличенную площадь рабочего поршня, что позволяет получить высокую силу давления силового штока, которая преобразуется во вращение гребных валов.
Сущность способа работы качающегося винтового движителя для работы в водной среде состоит в том, что внутренний гребной вал оснащают кривошипом, который устанавливают под углом 1°÷50° к продольной оси гребного вала; ступицу гребного винта устанавливают с возможностью вращения на кривошипе, при этом в профиле ось кривошипа и оси наклонов винта пересекаются на продольной оси гребных валов в одной точке, являющейся центром качания винта и центром масс; внешний соосный гребной вал противоположного вращения снабжают концевиком, оборудованным, по меньшей мере, одним приводным ребром, и, для создания упора, вращают внутренний гребной вал с кривошипом в сторону выходящих кромок лопастей гребного винта, а внешний гребной вал вращают в сторону входящих кромок лопастей гребного винта; комли лопастей гребного винта фиксированного шага жестко соединяют с лопастями и ступицей и выполняют их в виде ползунов в форме цилиндра, и/или прямоугольного параллелепипеда, и/или куба, при этом рабочую кромку приводного ребра концевика внешнего вала или пазы между смежными приводными ребрами на концевике внешнего вала, взаимодействующие с комлями лопастей, выполняют прямыми; комли лопастей гребного винта регулируемого шага выполняют в виде ползунов в форме, соответствующей профилю стенок винтового паза, при этом ползуны с внешней стороны жестко соединяют с лопастями, а с внутренней оборудуют осями и устанавливают в ступице с возможностью вращения, при этом внешний гребной вал снабжают концевиком, на котором смежные приводные ребра устанавливают с образованием винтового паза, по которому перемещают ползуны лопастей при качании гребного винта.
Сущность изобретения состоит в том, что вытеснительный и рабочий поршни выполнены двухстороннего действия и установлены каждый в своем цилиндре, по меньшей мере, на одном силовом штоке и установлены последовательно и закрыты торцевыми крышками с обеих сторон; вытеснительный поршень оборудован внутренним скользящим центральным каналом для скольжения силового штока, и фиксирующим механизмом для обеспечения его выстоев в мертвых точках; силовой шток оборудован толкателем для перемещения вытеснительного поршня после его выстоев в мертвых точках; каналы для перемещения рабочего тела соединяют отдельно передние и отдельно задние переменные объемы цилиндров; внутренний гребной вал движителя оснащен косым кривошипом, установленным под углом 1°÷50° к продольной оси вала, и снабжен или не снабжен концевиком; ступица качающегося гребного винта установлена на косом кривошипе с возможностью вращения; продольная ось косого кривошипа и продольные оси отклонений качающегося гребного винта пересекаются в точке на продольной оси гребного вала, являющейся центром качания гребного винта и центром масс; внешний соосный гребной вал снабжен концевиком, оборудованным прямыми или винтовыми пазами между смежными приводными ребрами, либо, по меньшей мере, одним приводным ребром; вращение внутреннего гребного вала с косым кривошипом осуществляется в сторону выходящих кромок лопастей качающегося гребного винта, а вращение внешнего гребного вала осуществляется в сторону входящих кромок лопастей качающегося гребного винта; комли лопастей гребного винта фиксированного шага выполнены в виде ползунов в форме круглого и/или прямоугольного сечения, и жестко соединены с лопастями и ступицей, при этом рабочая кромка приводного ребра концевика внешнего вала или пазы между смежными приводными ребрами на концевике внешнего вала, взаимодействующие с ползунами лопастей, выполнены прямыми; комли лопастей гребного винта регулируемого шага выполнены в виде ползунов в форме элементов скольжения, с боковыми поверхностями, соответствующими изгибу стенок винтового паза, ползуны с внутренней стороны оборудованы осями для вращения в ступице, а пазы между смежными приводными ребрами на концевике внешнего вала, взаимодействующие с ползунами лопастей, выполнены винтовыми; прямоточный осевой водометный движитель для работы в водной среде, сопло которого выполнено в виде гибкой оболочки тела вращения с криволинейными образующими стенок и с уменьшением диаметра к корме, и спереди соединено с кольцевой насадкой винтового движителя, а сзади оснащено всеракурсно отклоняемым рулевым кольцом, оборудованным или не оборудованным эластичной манжетой; вытеснительный цилиндр установлен со смещением от оси силового цилиндра, при этом шток вытеснительного поршня установлен параллельно силовому штоку рабочего цилиндра и соединен с передней частью рабочего поршня; канал подвода рабочего тела в задний и/или передний переменный объемы рабочего цилиндра осуществлен посредством трубы, проходящей скользяще через отверстие рабочего поршня; маховик и/или стартер-генератор установлены на внешнем гребном валу; холодильники, и/или вытеснительный цилиндр, и/или силовой шток оборудованы рубашками проточного водяного охлаждения; трансмиссионное отделение является емкостью для хранения рабочего тела, либо в нем установлена, по меньшей мере, одна емкость для хранения рабочего тела; трансмиссия оснащена редуктором, повышающим обороты гребных валов; ступица качающегося гребного винта выполнена сферической, с плоскими полюсами, через которые проходит отверстие для ее установки на косой кривошип внутреннего гребного вала; на концевике внутреннего гребного вала установлен гребной винт фиксированного шага с направлением работы по направлению вращения внутреннего вала; лопасти качающегося гребного винта выполнены, преимущественно, широкими - с увеличенной хордой, а продольный профиль лопастей выполнен в виде: с уклоном назад, выпукло-вогнутым, ковшовым, угловым, с радиальным отклонением, наклонным, с гребнями на краях, или в комбинации перечисленных видов, причем, вогнутости и уклоны выполнены на нагнетающей стороне лопасти; по меньшей мере, один гребной винт размещен внутри кольцевой насадки; выходящие кромки лопасти, по меньшей мере, одного гребного винта оборудованы интерцепторами; управление рулевым кольцом осуществляется посредством гибких тяг и электрических лебедок; рулевое кольцо оснащено спрямляющим аппаратом, выполненным в виде концентрических и/или диагональных лопастей; рулевое кольцо оснащено, по меньшей мере, тремя откидывающимися рулевыми лопастями-рычагами, устанавливаемыми в рабочее положение при натяжении рулевыми электролебедками гибких тяг; эластичная манжета оборудована стяжным кольцом, регулирующим ее проходное сечение.
Технический результат, при реализации изобретения, заключается в:
- увеличении ометаемой площади качающегося винта;
- существенном увеличении рабочей площади силового поршня двойного действия;
- увеличении скорости движения торпеды;
- увеличении дальности хода;
- расширении диапазона рабочих глубин;
- высокой удельной мощности двигателя, не зависящей от глубины хода торпеды;
- снижении шумности;
- повышении пропульсивного коэффициента полезного действия;
- отсутствии следности;
- неизменности массы торпеды в течение всего времени ее движения;
- увеличения маневренности.
Изобретение поясняется иллюстрациями:
Фиг. 1 - продольный торпеды.
Фиг. 2 - схема работы поршня-вытеснителя.
Фиг. 3 - схема работы двигателя.
Фиг. 4 - устройство движителя торпеды.
Фиг. 5 - схема работы лопасти и ползуна качающегося винта в прямом и винтовом пазах концевика внешнего вала.
Фиг. 6 - схема двигателя с эксцентричным расположением вытеснительного цилиндра.
Фиг. 7 - варианты схем и работа рулевого устройства движителя торпеды.
Фиг. 8 - предстартовое положение поршней и система заполнения полостей цилиндров рабочим телом.
Термины и определения, принятые в изобретении.
Газ - газообразное рабочее тело.
Тепловой преобразователь - преобразователь температуры газообразного рабочего тела (газа), включающий холодильник, регенератор и нагреватель, изменяющие его температуру при прохождении через них.
Полость - надпоршневой (передний) и/или подпоршневой (задний) переменный объем вытеснительного и рабочего цилиндров.
Вперед, передний - направление по ходу торпеды.
Назад, задний - направление против хода торпеды.
Вытеснитель - поршень вытеснительного цилиндра.
Мертвая точка - крайнее положение любого поршня.
Предназначение антиторпеды предполагает однорежимный (максимально скоростной) вариант работы пропульсивной системы, не предусматривающий регулировку изменений частоты и амплитуды перемещения силового штока, т.к. для обеспечения этих регулировок необходимы дополнительные механизмы, которые потребуют дополнительных объемов и увеличения массы. Но изменение скорости движения все же возможно осуществлять изменением температуры нагревателя в результате регулирования подачи в него реагентов экзотермической реакции.
Пропульсивный комплекс торпеды включает в себя: линейно расположенный однотактный двигатель с внешним подводом теплоты; преобразователь движения силового штока поршней во вращение гребных валов; трансмиссию, включающую, по меньшей мере, один редуктор, по меньшей мере, один гребной вал; движитель, включающий, по меньшей мере, один гребной винт, возможно, насадку и/или гибкий сопло водомета.
Для обеспечения вертикального и горизонтального маневра в широком диапазоне глубин, с целью поражения торпедой скоростных объектов на любой глубине, а также для уменьшения шумности работы механизмов и увеличения пропульсивного КПД, выбран бесшумный анаэробный однотактный двигатель с внешним подводом теплоты и с линейным расположением раздельных рабочего и вытеснительного цилиндров с поршнями двухстороннего действия, т.к. такой вариант компоновки двигателя позволяет существенно увеличить площадь рабочего поршня, почти приближаясь к площади поперечного сечения самой торпеды, дающий возможность существенно повысить усилие на силовом штоке в обоих направлениях его движения, преобразованное и редуцируемое в большее число оборотов движителя.
Ключевые преимущества анаэробной энергоустановки на основе двигателя с внешним подводом теплоты - это отсутствие зависимости скорости и дальности от глубины и высокая удельная мощность благодаря конструкции с раздельным расположением цилиндров, выстоями вытеснителя и однотактной работы двигателя.
Двигатель с внешним подводом теплоты имеет замкнутый цикл, принцип его работы характеризуется предельно низким уровнем шума, который даже ниже, чем у электрических двигателей, к тому же, комплекс оснащен преобразователем движения, который также не является источником шума, но безударно ограничивает диапазон перемещения штоков поршней, и при отсутствии выхлопа и, соответственно, следности, применения высокоскоростного водометного движителя с всеракурсно управляемым вектором тяги, такая торпеда позволяет осуществление скрытной атаки на любой глубине, легко маневрирует и осуществляет поражение цели в любую точку.
Вместо кривошипно-шатунного преобразователя может быть использован Зубчато-рамочный преобразователь движения (см. патент RU 2266446), который содержит одну зубчатую рамку с системно бесконечной внутренней или внешней зубчатой нарезкой, состоящей из двух параллельных зубчатых реек, концы которых соединены между собой переходными участками, образующими плавные перекаты для силовой шестерни с одной зубчатой рейки на другую, и оборудованную профилированной поверхностью для перекатывания по ней удерживающего ролика, один приводной силовой шток 5, сочлененный с зубчатой рамкой, а также посаженные на силовой вал ведущей шестерни 13 водило с удерживающим роликом и силовую шестерню, соединенную с ведущей шестерней 13. Переходные участки зубчатой рамки в поперечной проекции выполнены с радиальными, относительно оси вращения зубчатой рамки, закруглениями, преимущественно совпадающими с продольной осью приводного штока 5, при этом зубчатые рейки имеют разворот, угол которого обеспечивает их полное зацепление с силовой шестерней с одной или другой стороной силовой шестерни при прямом или возвратном движении штока 5. Технический результат заключается в повышении КПД преобразования.
Маховик и/или электрический стартер-генератор установлены, преимущественно на внешнем гребном валу 21, т.к. он кинематически связан с остальными элементами трансмиссии. Стартер предназначен для запуска двигателя - вращения ведущей конической шестерни, который также может выполнять функцию маховика (либо маховик устанавливается дополнительно), а после запуска двигателя, стартер используется как генератор для питания электрического привода устройств по доставке в химический реактор компонентов экзотермической реакции, отвода отработавшего вещества, вращения мотора водяной помпы для охлаждения горячих элементов и рабочего тела, работы рулей и систем двигателя и др. Задний конец силового штока оборудован осью, на которую посажен шатун, вращающий ведущую коническую шестерню преобразователя движения за кривошип.
Обоснованием для использования такой энергетической установки, работающей в любом диапазоне давлений на разных глубинах, является независимость скорости торпеды от давления среды, обеспеченная условиями выработки теплоты анаэробным источником тепла с замкнутым контуром. Это свойство проявляется в том, что при повышении противодавления (увеличении глубины хода) не происходит снижения мощности двигателя за счет выхлопа отработанного газа, а значит, не уменьшается мощность двигателя. Наличие водной среды с относительно низкой температурой и возможностью создания высокого давления в замкнутом контуре двигателя позволяет увеличить КПД двигателя.
Двигатель принципиально содержит: рабочий цилиндр 10 (фиг. 1, 3) с установленным в нем рабочим поршнем 9; вытеснительный цилиндр 1 с установленным в нем вытеснителем 2, преобразователи температуры рабочего тела 7, 33, изменяющие температуру газа при прохождении через них; емкость для газообразного рабочего тела, в качестве которой может быть использовано трансмиссионное отделение, в котором расположен кривошипно-шатунный механизм, и после заполнения полостей двигателя газом, давление в трансмиссионном отделении уменьшается и оно выполняет функцию подпиточной емкости; силовой шток 5 для привода поршней; кривошипно-шатунный преобразователь движения силового штока 5 во вращение ведущей конической шестерни 13, ведущую коническую шестерню 13, ведомую коническую шестерню 14; емкости хранения реагентов топлива (не показаны), системы их подачи в химический реактор для смешения компонентов топлива и удаления расплава (не показаны). Поршни 2, 9 двухстороннего действия, установлены на силовом штоке 5. Такая конструкция двигателя обеспечивает однотактный термодинамический цикл.
Цилиндры 1, 10 двигателя закрыты торцевыми крышками с обеих сторон и установлены последовательно концентрично (или эксцентрично (фиг. 6), с целью создания единого полезного объема для расположения химического реактора, тепловых преобразователей и др. элементов и систем), в них установлены поршни 2, 9 двухстороннего действия, которые соединены силовым штоком 5, причем рабочий поршень 9 установлен жестко, а вытеснитель 2 установлен скользяще с возможностью его фиксации в мертвых точках с целью обеспечения выстоев, для обеспечения которых он оборудован элементами фиксации в его мертвых точках (фиг. 2).
При эксцентричном расположении вытеснительного цилиндра 1 (фиг. 6), вытеснительный цилиндр 2 установлен со смещением от оси силового цилиндра 10, при этом силовой шток 5 разделен на две части, и часть штока, предназначенная для привода вытеснителя 2, для лучшего понимания, названа вытеснительным штоком 52, который установлен параллельно силовому штоку 5 рабочего цилиндра 10 и соединен с передней частью рабочего поршня 9.
Каналы 6, 35 (фиг. 1) соединяют: канал 35 - передние 36, 31, канал 6 - задние 30, 34 полости обоих цилиндров. Каналы 6, 35 оборудованы тепловыми преобразователями 7, 33, нагревающими газ при его перемещении в рабочий цилиндр 10, и охлаждающими газ при его движении в вытеснительный цилиндр 1. При этом, каналы 6, 35 (фиг. 8а) содержат трубки 8 (или один канал 6 оборудован трубкой 8), установленные на передней торцевой части рабочего цилиндра 10, причем, трубки 8, оборудованные впускными/выпускными отверстиями 11 в передней и/или задней частях, проходят скользяще через отверстия в рабочем поршне 9 и закреплены в торцевой задней крышке рабочего цилиндра 10, а поршень 9 скользяще установлен на этих трубках 8. Это сделано для того, чтобы:
- не увеличивать калибр торпеды установленным снаружи рабочего цилиндра 10 газопроводами;
- сохранять тепло газа в трубках 8;
- удерживать от проворота рабочий поршень 9 и силовой шток 5 при передаче крутящего момента преобразователю движения;
- подачи газа в полости цилиндров 1, 10 из емкости 29 при запуске двигателя.
Для нагрева газа целесообразно применение либо теплового аккумулятора, либо соответствующих реагентов с экзотермической реакцией, которые позволят осуществить быстрое включение и переход двигателя торпеды на полную мощность с достаточной для привода движителя частотой перемещения силового штока 5. При этом нагреватели обоих каналов целесообразно установить рядом и/или в одном реакторе, чтобы уменьшить потери тепла.
Вытеснитель 2 плотно установлен в холодном вытеснительном цилиндре 1, и делит его на две полости - переднюю 36 и заднюю 34. При этом он перемещается с выстоями в крайних точках, в которых он фиксируется от движения, пока толкатель 4 силового штока 5 движется в нем к какому-либо внутреннему торцу вытеснителя 2. При выстое в мертвых точках, вытеснитель 2 запирает наименьшую полость, и создает условия для однонаправленного - в рабочий цилиндр 10 - движения расширяющегося газа, при этом в противоположный - открытый объем - вытеснительного цилиндра 1, отработанный газ из аналогичной полости рабочего цилиндра 10 может свободно и без особого гидродинамического сопротивления перетекать в вытеснительный цилиндр 1, чем увеличивает силу давления на рабочий поршень 9 с напорной стороны.
Для обеспечения термодинамического цикла необходима фиксации вытеснителя 2 в мертвых точках. Вариантов выполнения фиксатора вытеснителя 2 достаточно много, остановимся на ползунковом принципе. Механизм фиксации вытеснителя 2 при выстоях необходим для того, чтобы высокое давление газа, прошедшего тепловой преобразователь и расширяющегося в обе стороны, имело бы возможность расширения только в направлении соответствующей полости рабочего цилиндра 10 потому, что канал со стороны вытеснительного цилиндра 1 был бы заперт вытеснителем 2.
Основу фиксатора составляют Г-образные ползуны 37, 42, (фиг. 2а), оборудованные косыми шлицами, взаимодействующими с аналогичными шлицами на ригелях 38, 41 - при перемещении ползуна 42 или 37 вперед или назад происходит перпендикулярное перемещение ригелей 38 или 41 в паз 39 или из паза 39, оборудованного в теле вытеснителя 2. Ползуны 37, 42 соединены пружинами растяжения 40.
Силовой шток 5 оборудован толкателем 4, которым он воздействует на Г-образные ползуны 37, 42 и, через них, на противоположный внутренний торец вытеснителя 2 (фиг. 2б), после некоторого свободного перемещения внутри вытеснителя 2, пока он находится в выстое в мертвой точке.
Для уменьшения инерционности поршни, шток 5 и шатун 12 выполнены из легкого материала, при этом поршни 2, 9 размещены в цилиндрах без кольцевого зазора - такое их размещение улучшит качество цикла, позволит уменьшить высоту поршней, т.к. ресурс двигателя для торпеды допускает такое решение. Обеспечение компрессии в цилиндрах осуществляется компрессионными кольцами - на рабочем поршне 9 - керамическими, а на вытеснителе 2 - пластиковыми, например, из полиарилатной композиции, фторопласта, или других. Двигатель и трансмиссия установлены в корпусе торпеды через теплозвукоизоляционную прослойку, толщина которой обеспечивает прокладку через нее проводов управления и электропитания.
Водяная помпа (не показана) для охлаждения рабочего тела работает от электродвигателя (не показаны) прокачивающая забортную воду через рубашки охлаждения холодильников тепловых преобразователей 7, 33, рубашки 3, 32 вытеснительного цилиндра 1 и силового штока 5, либо вода поступает посредством напорного давления встречного потока при движении торпеды через соответствующие отверстия в корпусе. Водяная рубашка охлаждения 32 силового штока 5 является тепловым барьером на пути теплового потока от горячих полостей рабочего цилиндра 10 к холодным вытеснительного цилиндра 1.
Вытеснитель работает следующим образом.
При нахождении вытеснителя 2, например, в переднем зафиксированном положении, движение силового штока 5 (фиг. 2а) назад заставляет его толкатель 4 упереться в выступы задних Г-образных ползунов 37 и потянуть их назад, при этом косые пазы ползунов 37 заставят задние ригели 38 двигаться вовнутрь, и они выходят из паза 39 вытеснительного цилиндра 1, освобождая от фиксации вытеснитель 2. При этом смещающиеся назад задние ползуны 37 растягивают пружины 40, т.к. передние ползуны 42 сместиться назад не могут - их удерживают передние ригели 41, установленные в своих пазах в теле вытеснителя 2 и упирающиеся в стенку вытеснительного цилиндра 1 - передние ползуны 42 могут двигаться назад только вместе с ригелями 41, которые будут входить в паз 39 вытеснительного цилиндра 1.
Далее, после смещения задних ригелей 38 внутрь - к оси вытеснителя 2, происходит его освобождение от фиксации, и толкатель 4 силового штока 5 тянет вытеснитель 2 назад к задней мертвой точке. При достижении передними ригелями 41 паза 39 вытеснительного цилиндра 1, они входят в этот паз 39 под воздействием пружин 40, которые тянут передние ползуны 42 назад, при этом вытеснитель 2 запирает заднюю полость 34 и сам не может сместиться вперед, хотя на него воздействует высокое давление газа в канале 6.
Схема работы двигателя с внешним подводом теплоты.
Принцип работы однотактного двигателя с внешним подводом теплоты - это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела.
В работу двигатель запускается посредством одновременного или поочередного впуска газообразного рабочего тела в полости 31, 30 рабочего цилиндра 10 из трансмиссионного отделения 29 торпеды, являющимся картером двигателя, в которой установлены или оно само является емкостью высокого давления для хранения газа. Газоводные трубки 8 (фиг. 8) оборудованы двухпозиционными клапанами с электроприводом 67 (электродвигателем) и отверстиями для подачи газа в полости 30, 31 рабочего цилиндра 10. Впуск газа в эти полости происходит через отверстия 68 в трубках 8 при холодных нагревателях и при перемещении обоих поршней 2, 9, осуществляемым посредством вращения электрического стартера 19. При этом газ принудительно прогоняется по полостям 30, 31, 34, 36 обоих цилиндров 1, 10. Во время поступления газа под давлением во все полости, или после этого (зависит от теплопроводности материала нагревателя), происходит разогрев топлива и химического реактора компонентами топлива, вступающими в экзотермическую реакцию, тепло которой передается в нагреватели газа, и тем самым обеспечивается запуск двигателя, после которого стартер 19 отключается и переходит в режим генератора 19, а вращающаяся под действием шатуна 12 ведущая коническая шестерня 13, через трансмиссию (кинематически связывающую все подвижные элементы силовой установки) вращает генератор 19 и, если для преодоления мертвых точек не будет хватать маховой массы якоря генератора 19, то дополнительно устанавливается маховик 28.
Трубки 8 (фиг. 8б) выполнены одинаково с той лишь разницей, что отверстия 11 выполнены в разных уровнях для подачи газа в соответствующие полости 30, 31, и оснащены двумя клапанами - обратным 64 и управляемым 65, последний соединен штоком 66 с электродвигателем 67. Шток 66 оборудован винтом - элементом винтовой передачи, и при вращении электродвигателя 67, гайка в полом роторе электродвигателя 67 перемещает шток 66 в осевом направлении, плавно регулируя поступление газа в полости 30, 31 рабочего цилиндра 10 и далее в полости 34, 36 вытеснительного цилиндра через отверстия 68. Дальнейшая работа двигателя происходит следующим образом.
При перемещении вытеснителя 2 вперед по стрелке «б», он выдавливает из полости 36 газ в канал 35 и запирает его, направляя весь газ в тепловой преобразователь 33, и, по мере прохождения газа через тепловой преобразователь 33, в котором его давление возрастает, и он вынужден переместиться в переднюю полость 31 рабочего цилиндра 10, где воздействует на рабочий поршень 9, который начинает перемещаться назад по стрелке «а» под действием расширяющегося газа (фиг. 3а), совершая работу. Выдавливаемый газ из задней полости 30 рабочего цилиндра 10 по трубе 8 и каналу 6 свободно перемещается в заднюю полость 34 вытеснительного цилиндра 1, по пути охлаждаясь, проходя через тепловой преобразователь 7.
При расширении газа, который перемещает рабочий поршень 9 (фиг. 3б) назад по стрелке «о», давление в передней полости 31 рабочего цилиндра 10 постепенно снижается. Рабочий поршень 9, продолжая двигаться назад, вытесняет остатки газа из уменьшающегося задней горячей полости 30 рабочего цилиндра 10 в увеличивающуюся заднюю холодную полость 34 вытеснительного цилиндра 1 и принимает в него охлажденный газ.
Далее, когда рабочий поршень 9 пройдет, примерно, 2/3÷3/4 (это расстояние зависит от настроек двигателя, свойств газа, характеристик теплового преобразователя, и др. факторов) своего хода по стрелке «а» до крайнего заднего положения, толкатель 4 вытеснительно штока 5 упирается в задний внутренний торец вытеснителя 2 и начинает перемещать его назад по стрелке «а», открывая полость 36 канала 35 (фиг. 3в) для впуска отработанного газа из передней «горячей» полости 31 рабочего цилиндра 10, в переднюю «холодную» полость 36 вытеснительного цилиндра 1, где давление меньше. При этом горячий газ последовательно проходит через тепловой преобразователь 33, где он охлаждается перед поступлением в переднюю «холодную» полость 36 вытеснительного цилиндра 1. Вытеснитель 2, двигаясь назад по стрелке «б», заталкивает газ в канал 6, и по достижению крайнего заднего положения, запирает канал 6, а газ, проходя через тепловой преобразователь 7, нагревается и поступает в заднюю полость 30 рабочего цилиндра 10, где воздействует на рабочий поршень 9 и перемещает его вперед по стрелке «а».
Кривошипно-шатунный преобразователь движения вынуждает рабочий поршень 9 дойти до задней мертвой точки, при этом вытеснив весь газ из задней полости 30 рабочего цилиндра 10 в тепловой преобразователь 7 канала 6, и плавно и безударно останавливает перемещение силового штока 5. Но и вытеснитель 2 также втолкнул холодный газ из задней полости 34 вытеснительного цилиндра 1 в канал 6 и запер этот канал, и газ, перемещаясь по этому каналу 6, последовательно, уже в обратном порядке, проходит через тепловой преобразователь 7, где он нагревается, и готов поступить по трубе 8 через ее отверстие 11 в заднюю полость 30 горячего рабочего цилиндра 10. Далее, шатун 12, под воздействием ведущей шестерни 13 и маховика 28, преодолевает сопротивление поступающего газа в заднюю полость 30, принудительно дожимает поступивший в нее газ, и, после преодоления мертвой точки, начинает перемещение рабочего поршня вперед 9 (фиг. 3г) по стрелке «б», которому способствует поступающий через отверстие 11 в трубе 8 в заднюю полость 30 расширяющийся газ с высоким давлением.
Поскольку процесс расширения с нагревом протекает при более высоком среднем давлении, чем процесс сжатия с охлаждением, двигатель совершает полезную работу.
Далее, цикл повторяется.
Чтобы двигатель развивал полезную мощность, необходимо обеспечить сдвиг по фазе движение обоих поршней 1, 10, что и обеспечивается выстоями скользящего вытеснителя 2 в мертвых точках, т.е. прерывистым перемещением вытеснителя 2 при равномерном возвратно-поступательном движении рабочего поршня 9.
В случае необходимости увеличения скорости движения торпеды возможно повысить мощность силовой установки посредством подключения стартерного электродвигателя 19. Регулировку скорости движения можно осуществлять изменением температуры нагревателя посредством изменения объема реагентов, поступающих для экзотермической реакции.
Преобразователь движения.
Редуцирование оборотов гребных валов 20, 21 осуществляют подбором передаточного отношения шестерен 13, 14, либо установкой дополнительно редуктора (не показан), повышающего обороты гребных валов. Для вращения внутреннего 20 и внешнего 21 гребных валов, применен кривошипно-шатунный преобразователь движения с редуктором противоположного вращения гребных валов 20, 21, состоящим из двух конических приводных шестерен 16, 18 и, по меньшей мере, одной промежуточной конической шестерней 17. Преобразователь движения установлен в цилиндрическом корпусе трансмиссионного отделения 29.
Преобразователь движения содержит: шатун 12; ведущую коническую шестерню 13; ведомую коническую шестерню 14 внутреннего гребного вала 20.
Передача крутящего момента на внутренний вал 20 производится против хода вращения качающегося винта 27, а передача крутящего момента на внешний вал 21 осуществляется по ходу вращения качающегося винта 27.
Внешний гребной вал 21 оборудован маховиком 19 и/или обращенным электромотором 19, который работает как стартер или генератор и якорь которого может быть также использован как маховик.
Длина хода силового штока 5 регулируется кривошипно-шатунным механизмом.
Движитель.
В качестве движителя применен качающийся гребной махово-винтовой движитель, выполненный одно- или двухвинтовым с соосными гребными винтами противоположного вращения.
При одновинтовом варианте движителя, внутренний гребной вал 20 (фиг. 4, 7а) оборудован косым кривошипом 23, установленным под углом 1°÷50° к продольной оси гребного вала 20. На косой кривошип 23 посажена ступица 43 гребного винта 27 с возможностью свободного вращения на косом кривошипе 23 посредством посадки ступицы 43 на скользящий подшипник. При этом внутренний гребной вал 20 вращается в сторону выходящих кромок лопастей 46 гребного винта 27, а внешний гребной вал 21 оборудован концевиком с, по меньшей мере, одним ребром 47, которым вращает качающийся гребной винт 27 в сторону входящих кромок его лопастей 46. Для оборудования движителя винтами контрвращения, на концевике 24 внутреннего гребного вала 20 устанавливается задний гребной винт 25 с направлением работы по направлению вращения гребного вала 20. При вращении гребных валов, гребной винт 27 получает возможность качания от оси «е-е» до оси «д-д» в секторе «N», а его лопасти 46 создают упор одновременно посредством винтового и машущего воздействия на водную среду. Причем, угол атаки а лопастей 46 должен коррелировать с углом наклона косого кривошипа 23.
Ступица 43 качающегося (переднего) гребного винта 27 выполнена сферической с плоскими торцами (полюсами), через которые проходит косой кривошип 23 внутреннего гребного вала 20, а сам качающийся гребной винт 27 может быть оборудован лопастями 46 фиксированного или регулируемого шага. Для вращения качающегося гребного винта 27 и создания упора его винтовым вращением, предназначен внешний гребной вал 21, который оборудован, по меньшей мере, одним приводным ребром 47, которым вращает качающийся гребной винт 27 в сторону входящих кромок его лопастей 46.
При отсутствии необходимости в регулировании шага винта 27, комли его лопастей 46 оборудуются ползунами 45 в форме круглого и/или прямоугольного сечения с поверхностями скольжения в руслах прямых пазов 49 (фиг. 5а), образованных приводными ребрами 47, оборудованными на концевике 22 внешнего гребного вала 21, а сами лопасти 46 установлены на ступице жестко без возможности вращения, при этом при любом наклоне винта 27 - «з», «и», «к» - угол атаки а будет постоянен по отношению к косому кривошипу 23.
Для обеспечения регулирования шага лопастей 46, качающийся гребной винт 27 оборудуется автоматом индивидуально перекоса лопастей и поворотными лопастями 46 (фиг. 5б), которые автоматически меняют шаг в зависимости от их наклона на косом кривошипе 23 по отношению к оси косого кривошипа 23. Каждая лопасть 46 переднего качающегося гребного винта 27 жестко соединена с ползуном 45, который оборудован осью 44 (фиг. 4), которая установлена в ступице 43 перпендикулярно оси косого кривошипа 23. Ось 44 лопасти 46 обладает возможностью вращения в ступице 43. Автомат перекоса лопастей представляет собой винтовые пазы 51 (фиг. 5б), выполненные на концевике 22 внешнего гребного вала 21, образованные смежными приводными ребрами 47, в которых размещены ползуны 45 комлей лопастей 46, оси 44 вращения которых расположены в сферической ступице 43. Комли лопастей гребного винта регулируемого шага выполнены в виде ползунов в форме элементов скольжения, с боковыми поверхностями, соответствующими изгибу стенок винтового паза Причем, винтовые пазы 51 должны обеспечить индивидуальный поворот лопастей 46 качающегося гребного винта 27, примерно, на угол 0°÷50°, и этот угол должен соотноситься с углом наклона косого кривошипа 23, чтобы лопасти 46 при любом положении косого кривошипа 23 имели оптимальный угол атаки α и маха по траектории движения торпеды.
Любой гребной винт лучше всего работает, когда его ось вращения расположена по оси торпеды. У винта, установленного с наклоном, и в связи с этим обтекаемого «косым» потоком, коэффициент полезного действия будет ниже, но это падение КПД сказывается при угле наклона гребного вала к оси торпеды большем, чем 10°. Поэтому, при «косом» потоке и угле наклона более 10°, целесообразно изменять и угол атаки лопастей. Но качающийся гребной винт, при наклоне, создает еще и маховое воздействие на воду, поэтому его КПД, даже при углах наклона более 10° будет выше.
1
2
3
Наличие винтовых пазов 51 между приводными ребрами 47 на концевике 22 внешнего гребного вала 21 позволяет каждой лопасти 46 гребного винта 27 автоматически и индивидуально менять шаг в зависимости от ее наклона на косом кривошипе 23 внутреннего гребного вала 20 посредством того, что при качании ползун 45 лопасти 46 движется по винтовому пазу 51, и при изменении углового положения русла паза 51 по оси вала 20, ползун 45 также изменяет свое угловое положение относительно оси вала 20 (т.е. поворачивается), и вместе с ним поворачивается лопасть 46, тем самым изменяется ее угол атаки а. При этом лопасть 46, установленная на ступице 43 на косом кривошипе 23, отклонение которой идет вперед, в профиле поворачивается в положение «з», когда угол ее атаки α максимален, а затем, по мере отклонения назад, лопасть поворачивается в положение «и», затем в положение «к» с нормальным углом атаки α, и затем в близкое к перпендикулярному направлению движения, когда угол атаки α минимален - поз. 48 (фиг. 4), и тем самым, кроме винтового массопереноса воды, делает еще мах, толкая воду назад и получая дополнительный импульс для движения аппарата вперед.
Для увеличения упора от махового воздействия лопастей 46 при качании качающегося гребного винта 27, его лопасти целесообразно выполнять широкими - с увеличенной хордой, а продольный профиль лопастей целесообразно выполнять в геометрии, уменьшающей радиальное перетекание воды по лопастям под действием центробежной силы и увеличивающей лучший захват воды, например, с уклоном назад, выпукло-вогнутым, ковшовым, угловым, с радиальным отклонением, наклонным, с гребнями на краях, или в комбинации профилей, причем, выпуклости и уклоны направлены в сторону упора. Возможно также оборудовать лопасти 49 интерцепторами.
Движитель может быть оборудован соосными гребными винтами 27 и 25 противоположного вращения. На концевике 24 внутреннего гребного вала 20, вращающегося в сторону выходящей кромки лопасти 46 винта 27, после косого кривошипа 23, устанавливается второй винт - задний 25 - фиксированного шага с направлением вращения входящих кромок его лопастей в сторону вращения внутреннего гребного вала 20. И т.к. качающийся гребной винт имеет направление работы противоположное направлению вращения внутреннего гребного вала 20, то при вращении качающегося винта внешним гребным валом 21 в сторону, противоположную вращению внутреннего вала 20, происходит разнонаправленная работа двух винтов 27 и 25 для создания упора. Лопасти заднего гребного винта 25 целесообразно установить с наклоном назад, чтобы максимально придвинуть задний винт 25 к переднему 27. При этом, по меньшей мере, только лопасти 46 переднего гребного винта 27 могут быть установлены в ступице 43 с возможностью индивидуального изменения шага. По меньшей мере, один из соосных гребных винтов может быть размещен внутри кольцевой насадки 26 (фиг. 7б, г).
Водометный движитель.
Для увеличения маневренности, насадка 26 (фиг. 7д, е, ж) движителя торпеды сзади оборудуется криволинейно суживающимся, и/или телескопическим, и/или коническим соплом 53 водомета с механически отклоняемым рулевым кольцом 56, являющимся активным рулем. Сопло 53 выполнено в виде гибкой оболочки тела вращения с криволинейными образующими стенок и с уменьшением диаметра к корме, и спереди соединено с кольцевой насадкой 26 винтового движителя, а сзади оснащено всеракурсно отклоняемым рулевым кольцом 56, оборудованным или не оборудованным эластичной манжетой 55. Сопло 53 водомета содержит напорное шумоизоляционное гибкое тканевое, и/или пластиковое, и/или резиновое сопло 53, возможно, с некоторой эластичностью, а для сохранения формы - оборудованное спиралью в теле сопла. Рулевое кольцо 56, выполнено в поперечном сечении в виде плоского обода, возможно, также оборудовано для жесткости и улучшения рулевых свойств спрямляющим аппаратом 60 (фиг. 7в), например, в виде концентрически установленных плоских или клиновидных колец, соединенных диаметральными лопастями. Эластичная манжета 55 призвана уменьшить гидродинамический шум посредством, сначала, разграничения и, затем, сопряжения потоков воды - турбулентного, выходящего из рулевого кольца 56, и ламинарного - наружного потока.
Рулевое кольцо 56 (фиг. 7д, е, ж) оснащено, по меньшей мере, тремя откидывающимися рулевыми лопастями-рычагами 61, 63, устанавливаемыми в рабочее положение при натяжении рулевыми электролебедками 59 гибких тяг 54, 57. Лопасти-рычаги 61, 63 в транспортном положении отклоняются назад, и выполняют функции наружных рулей выполняющими роль рычагов и уменьшающих ход тяг при натяжении, и соединено гибкими тягами 54, 57 с электролебедками 59, а при натяжении любой гибкой тяги электролебедкой 59 (фиг. 7е), например, тяги 57, лопасти рулей откидываются вперед и, как рычаги, воздействуют на рулевое кольцо 56, которое повернется в ее сторону и вынудит изогнуться сопло 53 также в сторону этой тяги 57, при этом струя из сопла 53 и эластичной манжеты 55 будет направлена по направлению стрелки «л» отклоненного рулевого кольца 56, что вынудит торпеду более энергично изменить направление, вплоть до разворота на месте.
При придании материалу сопла 53 некоторой эластичности, она позволит обеспечить гладкость внутреннему каналу сопла 53 при изгибе и уменьшению гидродинамического шума.
Гибкое сопло 53, для повышения маневренности, также можно применять в водометных движителях, оснащенных рабочим колесом или импеллером 69 (фиг. 7ж).
Поджатие струи на выходе из сопла 53 несколько подтормаживает воду в дисках гребных винтов, увеличивая нагрузку движителя, поэтому площадь выходного сечения сопла служит для регулировки нагрузки движителя и, соответственно, двигателя (подобно шаговому отношению гребных винтов). Так, если двигатель не развивает нормального числа оборотов, необходимо облегчить водометный движитель, автоматически увеличив выходное отверстие сопла 53 и, наоборот, если число оборотов двигателя больше нормального, то выходное отверстие уменьшается.
Такое согласование работы двигателя и движителя крайне важно при регулировании скорости движения торпеды, поэтому эластичная манжета 55 у своего основания оборудуется стяжным кольцом 62 (фиг. 7д, е, ж), позволяющей стянуть, т.е. сузить или расширить ее горловину у рулевого кольца, посредством которой можно регулировать и подобрать оптимальное проходное сечение сопла для данных условий загрузки. Управление стяжным кольцом осуществляется также гибкой тягой от своей электролебедки.
Гибкие тяги 54, 57 выполняются из: стального или полимерного каната, тросика в гибкой скользящей оплетке, пластиковой композитной или моно-нити, проволоки, ленты, полосы, или в комбинации перечисленных видов.
Спрямляющий поток аппарат 58 в насадке 26, выполненный в виде радиально установленных лопастей на центральном обтекателе, нужно для спрямления потока от гребных винтов 25, 27 и ограничения смещения внутрь насадки 26 (телескопически) сложенного сопла 53 в транспортном положении, а гибкие тяги 54, 57 притягивают рулевое кольцо к насадке 26. При выстреле торпеды внутреннее давление воды в сопле 53 и встречный поток, распрямят сопло 53 и эластичную манжету 55, а электролебедки 59 отпускают гибкие тяги 54, 57 и направляют торпеду по курсу.
Данное решение позволит существенно повысить маневренность торпеды при снижении гидродинамических шумов и сопротивления движителя, повысить пропульсивный КПД.
Способ работы качающегося винтового движителя для работы в водной среде заключается в том, что:
- внутренний гребной вал оснащают кривошипом, который устанавливают под углом 1°÷50° к продольной оси гребного вала;
- ступицу гребного винта устанавливают с возможностью вращения на кривошипе, при этом в профиле ось кривошипа и оси наклонов винта пересекаются на продольной оси гребных валов в одной точке, являющейся центром качания винта и центром масс;
- внешний соосный гребной вал противоположного вращения снабжают концевиком, оборудованным, по меньшей мере, одним приводным ребром, и, для создания упора, вращают внутренний гребной вал с кривошипом в сторону выходящих кромок лопастей гребного винта, а внешний гребной вал вращают в сторону входящих кромок лопастей гребного винта;
- комли лопастей гребного винта фиксированного шага жестко соединяют с лопастями и ступицей и выполняют их в виде ползунов в форме цилиндра, и/или прямоугольного параллелепипеда, и/или куба, при этом рабочую кромку приводного ребра концевика внешнего вала или пазы между смежными приводными ребрами на концевике внешнего вала, взаимодействующих с комлями лопастей, выполняют прямыми;
- комли лопастей гребного винта регулируемого шага выполняют в виде ползунов в форме, соответствующей профилю стенок винтового паза, при этом ползуны с внешней стороны жестко соединяют с лопастями, а с внутренней оборудуют осями и устанавливают в ступице с возможностью вращения, при этом внешний гребной вал снабжают концевиком, на котором смежные приводные ребра устанавливают с образованием винтового паза, по которому перемещают ползуны лопастей при качании гребного винта.
Качающийся винт работает следующим образом.
При разнонаправленном вращении соосных гребных валов 20, 21, внутренний гребной вал 20, оборудованный косым кривошипом 23, на который свободно посажена ступица 43 с гребным винтом 27, вращаясь в сторону исходящей кромки лопастей 46, производит качание гребного винта 27 относительно центра качания «О» (фиг. 4), являющейся центром масс косого кривошипа и качающегося винта, а внешний гребной вал 21, вращаясь в сторону входящей кромки лопастей 46, раскручивает гребной винт 27 и тем самым создает упор, который воспринимает внутренний гребной вал 20, и передает его на упорный подшипник 15.
1
3
При вращении гребных валов 20, 21, гребной винт 27 находится в нутирующем движении относительно центра качания «О», расположенного в точке пересечения продольной оси «в-в» гребного вала 20 и поперечных осей «д-д» и «е-е», и продольной оси «г-г» косого кривошипа 23, являющейся центром симметрии системы винт-вал, действующей под вращением косого кривошипа 23 внутреннего гребного вала 20. При этом происходит постоянное круговое изменение положения плоскости гребного винта 27 по отношению к потоку с частотой качания, равной частоте вращения внутреннего гребного вала 20, а передачу крутящего момента для создания упора качающимся гребным винтом 27 осуществляет внешний гребной вал 21, что приводит к круговому изменению угла воздействия плоскости диска гребного винта 27 на поток и, соответственно, также меняются углы атаки от α до α лопастей 46 по отношению к потоку. Чтобы отрегулировать шаг лопастей 46 при их «косом» расположении к потоку, пазы 51 концевика 22 внешнего гребного вала 21 на участке движения ползунов 45 выполнены винтовыми, что позволяет ползунам 45 отклоняться вместе с лопастями 46 при качании гребного винта 27, и тем самым индивидуально изменять шаг лопастей 46 в зависимости от наклона к оси внутреннего гребного вала 20 согласно закону движения.
Таким образом, каждому режиму положения лопастей 46 качающегося гребного винта 27 обеспечивается оптимальный угол атаки α.
Движитель может быть выполнен в нескольких вариантах (фиг. 7):
- одиночный качающийся гребной винт (фиг. 7а);
- одиночный качающийся гребной винт, установленный в кольцевой насадке (фиг. 7б);
- качающийся гребной винт с винтом противовращения (фиг. 7в);
- качающийся гребной винт с винтом противовращения, установленные в кольцевой насадке (фиг. 7г);
- водометный движитель с одиночным качающимся гребным винтом (фиг. 7д);
- водометный движитель с качающийся гребным винтом и с винтом противовращения (фиг. 7е) - показан момент поворота гибкого сопла 53 посредством натяжения гибкой связи 57 и отклонения руля 63, а вместе с ним рулевого кольца 56 (фиг. 7е);
- водометный движитель с рабочим колесом (импеллером) 69 (фиг. 7ж).
Варианты исполнения движителя зависят от размеров торпеды, ее назначения, и имеют один и тот же технический результат, который, при реализации изобретения позволяет повысить мощность торпеды в широком диапазоне глубин, уменьшить ее габариты, увеличить скорость.
Показанные схема и принцип работы Пропульсивного комплекса торпеды не являются ограничением для применения других технических решений, которые могут быть использованы на практике без нарушения основной идеи изобретения.