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 области создания транспортных средств, использующих динамическую воздушную подушку, обладающим высокопроизводительным свойством компрессора на использовании импеллера, реактивная струя которого направлена для пневмоканалов в виде сжатого воздуха под днищем для создания подъемной и тяговой силы, и может быть использовано для мелкосидящего быстроходного судна с воздушной каверной на днище и направлено на улучшение, как гидродинамических, так и мореходных характеристик этих судов.
Известна конструкция судна с воздушной прослойкой под днищем, которое имеет полость на днище, ограниченную носовым реданом, бортовыми скегами и кормовым замыкающим элементом и разделенную на отдельные секции расположенными по всей ширине полости между бортовыми скегами поперечными козырьками, при этом поперечные козырьки и кормовой замыкающий элемент удалены по нижним кромкам в полости, проходящей через продольную ось днища, на определенное расстояние друг от друга, первый поперечный козырек удален от носового редана также на определенное расстояние, а нижние кромки поперечных козырьков не выходят за основную плоскость днища (Патент RU N 91145587, B60V 1/04, B60V 1/38 от 29.09.1983).
При движении указанного судна и подаче в днищевую полость сжатого воздуха за носовым реданом и поперечными козырьками образуются воздушные прослойки с передней границей на водоотделяющих поперечных реданов. Длина воздушных прослоек на эксплуатационной скорости достигнет значений, равных расстояниям между нижними водоотводящими кромками козырьков. В результате происходит образование единой воздушной прослойки, чем обеспечивается уменьшение смоченной водой поверхности днища и снижение сопротивления трения.
Однако единая воздушная прослойка на этом судне устойчива в узком диапазоне скоростей, и при наличие возмущений эксплуатационного характера, при линейном изменении скорости единая воздушная прослойка подвержена разрушению с образованием сравнительно коротких разрозненных воздушных прослоек. На данном судне образование воздушных прослоек не предусмотрено на сужающихся участках днища, что также ограничивает эффективность снижения сопротивления трения.
Известно судно, преимущественно водоизмещающего типа с цилиндрической вставкой с воздушной прослойкой под днищем, содержащее корпус, в днище которого образована полость, сообщенная с источником сжатого воздуха, ограниченная бортовыми скегами и кормовым замыкающим элементом. В полости установлен, по крайней мере, один водоотделяющий элемент, нижняя кромка которого не выходит за нижние кромки бортовых скегов. Бортовые скеги выполнены с водоотделяющими нижними кромками, расположенными под острым углом к диаметральной плоскости судна, по крайней мере, на длине не менее 1/3 расстояния от точки пересечения этих кромок с диаметральной плоскостью в носовой части днища до кормового края кормового замыкающего элемента и не более расстояния от упомянутой точки до носовой границы кормового замыкающего элемента (Патент RU N 2051510, В63В 1/38 от 18.04.1995).
Благодаря бортовым скегам, расположенным под острым углом к диаметральной плоскости эффективность снижения сопротивления трения увеличивается за счет образования воздушной прослойки на сужающихся участках днища.
Однако воздушная прослойка на этом судне устойчива также в узком диапазоне скоростей, так как форма полости выполнена без учета характера обводов смоченной поверхности днища судна перед полостью днища судна перед полостью.
1
i
Известно быстроходное судно, где предложена форма каверны в плане, сужающая от района цилиндрической вставки в нос по криволинейному обводу. При этом бортовые скеги переходят в криволинейные в плане. Но плоские по батоксам участки с углами атаки α от 0 до 90°, длина таких участков предлагается, по меньшей мере, 0,05 длины выемки (каверны). Имеется описание в разделе 4, который описывает выполнение плоских участков в виде последовательных элементарных участков, каждый из которых имеет неизмененный угол атаки α. Предложенная форма очень сложна технологически для реализации при постройке, кроме того, большие плоские участки приведут к возникновению значительных ударов при движении с полной скоростью на волнении. Ухудшат продольную и поперечную остойчивость судна.
Известно устройство для реализации способа передвижения и управления транспортным средством на воздушной подушке, содержащее днище, выполненное из частей под различными углами, руль поворота, продольный воздухозаборный канал нагнетательного устройства в виде импеллера, воздух, из сопла которого подается под углом под днище судна, пневмоканалы и поворотный щиток, закрепленный на горизонтальной оси вращения с возможностью примыкания в закрытом положении к днищу корпуса, при этом днище, оборудованное с боковыми скегами, дополнительно оборудовано внутри продольными напорными каналами, выполненными в виде полых и сквозных труб из легкого алюминиевого сплава с установленными в конце их изогнутыми активными соплами, которые ориентированы под углом в сторону движения воздуходинамической струи высокого давления, выходящей из переходного двухфазного сопла, размещенного в средней части под открытым снизу днищем корпуса, при этом боковые воздуходинамические струи между боковыми стенками скегов и боковыми стенками переходного двухфазного сопла ориентированы по направлению выходящей воздуходинамической струи высокого давления из переходного двухфазного сопла (Патент N 2614367, B60V 3/06, B60V 1/04, В63В 1/38 от 24.03.2017).
Недостатком данного решения является наличие продольных напорных каналов, выполненных в виде полых сквозных труб и переходного сопла, предусматривает смешивание сжатого потока в кормовой части судна. У данного судна не используется по ширине максимальные габариты днища с закреплением к нему реданов, что уменьшает максимальную площадь подушки и недостаточно увеличение воздушной смазки в условиях окружающей среды - плотность воды и сжатого воздуха, а значит недостаточная подъемная сила и движение судна в целом. Кроме того, оно сложно в практической реализации при наличии связи уступа с переходным двухфазным соплом с центральным продольным прямолинейным каналом, т.е. для судов малого тоннажа изобретение приводит к усложнению конструкции корпуса и может быть в наших условиях экономически не достаточно эффективным. Таким образом, необходимо не только повысить гидродинамическое качество судов на пневмопотоке, но и улучшить устойчивость глиссирования и обеспечить повышенные эксплуатационные качества. Особенно это важно в условиях развитого волнения, так как на первое место выходят вопросы стабилизации как продольной, так и поперечной качки. Кроме того, воздушная прослойка на этом судне устойчива также в узком диапазоне скоростей, так как форма днища с элементами подачи сжатого воздуха не достаточно обеспечивает снижение сопротивления трения в широком диапазоне скоростей движения судна.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является судно, которое касается конструкции днища корпуса быстроходного мелкосидящего судна путем создания на днище ряда воздушных полостей, образованных наличием ряда реданов, а также бортовых и днищевых скегов. Воздух в воздушные полости подается от независимого источника через форсунки, установленные в днище судна сразу за реданами. Форсунки закрыты отбойными пластинами, назначение которых уменьшить деформацию воздушной каверны (Авторское свидетельство SU N 1824806, В63В 1/00 от 27.11.1995).
К существенным недостаткам данного изобретения можно отнести его зависимость от состояния водной поверхности. Малейшее волнение водной поверхности существенно деформирует создаваемые на днище воздушные каверны, и тогда эффективность использования данного изобретения резко снижается. Также в данном изобретении отсутствует возможность изменения режимов движения воздуха на водную опорную поверхность в зависимости от скорости движения. Таким образом, предложенная форма реданов не решает ряда задач по мореходности, снижает эффективность каверны, не позволяя реализовать все преимущества от использования каверны в условиях волнения путем снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, т.к. практически исключения влияния состояния водной поверхности за счет одновременного применения «воздушной смазки» и «воздушной подушки».
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 с началом движения судна на сжатом пневмопотоке и с подачей воздуха в днищевую выемку в виде трубы-редана с коллектором под днищем образованного закрытого пневмоканала расположенным на некотором расстоянии выше нижних опорных концов скегов за счет одновременного применения с С-образующими продольными реданами следующими друг за другом, концы которых заглушены, а в нижней их части выполнены отверстия для выхода сжатого воздуха вниз в сторону опорной поверхности, при этом подача воздуха происходит из сопла 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, содержащем бортовые скеги и реданы, между которыми образуются воздушные полости, в которых воздух поступает по воздухопроводу от источника воздуха в виде нагнетательного устройства, согласно изобретения, расширяющееся днище между скегами между которыми образован закрытый пневмоканал с прямоугольным днищем, расположенным на некотором расстоянии выше нижних опорных концов скегов, заканчивающимся, не доходя до кормовой части, в которую поступает от источника сжатый воздух, дно закрытого пневмоканала в своей нижней части под днищем выполнено основным продольным напорным воздухопроводом в виде трубы-редана коллектора с С-образующими продольными реданами следующими друг за другом по длине основного продольного напорного воздухопровода, концы, которых заглушены и в нижней части, которых выполнены отверстия для выхода сжатого воздуха вниз, при этом отверстия ориентированы в сторону опорной поверхности воды, а точки пересечении с С-образующими продольными реданами расположены по длине каждый на основном воздухопроводе соединенным с отверстием принудительной подачи воздуха по воздухопроводу от нагнетательного устройства в виде импеллера, воздух, из сопла которого подается под днище судна в закрытый пневмоканал, при этом конец основного продольного воздухопровода которого выполнен сужающимся в виде сопла диффузора.
Кроме того, основной продольный воздухопровод с С-образующими продольными реданами, образующих воздушную смазку, расположены на определенном расстоянии выше нижних опорных концов скегов, но ниже днища закрытого пневмоканала с прямоугольным днищем между выступающими скегами.
Кроме того, верхние части С-образующих продольных реданов закреплены к днищу закрытого пневмоканала, а нижние части, которых имеют выполненные отверстия для выхода воздуха в зону воздушной подушки.
Указанные отличия увеличивают в районе днища закрытого пневмоканала с прямоугольным днищем с С-образующими профилем в плане, которые образуют лыжеобразный каждый из них выступ, и ветви, которых направлены в сторону кормы, между которыми днищевая поверхность создает воздушные каверны, ограничивающая сверху днищем закрытого пневмоканала и оканчивающаяся не доходя самой кормовой части. Все это в целом снижает ударные нагрузки на судно при движении в условиях развитого волнения, и тем самым улучшающий его мореходные качества. Точка пересечения С-образующих продольных реданов следующими друг за другом по длине основного продольного напорного воздухопровода увеличивает глиссирующую поверхность судна в сочетании с носовой частью элементами и позволяет стабилизировать поток выходящего воздуха, существенно улучшить параметры по качке и тем самым повысить эксплуатационное качество судно на пневмопотоке с каверной на крейсерских скоростях движения не только на тихой воде, но и, что особенно важно, на волнении. А открытый участок в районе кормовой части днища корпуса обеспечивает смешение этих воздушных масс воздуха в сторону канала между рулевыми устройствами. А значит резко снижается полное гидродинамическое сопротивление на эксплуатационных скоростях движения при практически постоянной мощности силового импеллера (затраты на подачу воздуха практически уменьшатся в несколько раз, и тем самым достигается существенный прирост скорости хода и регулируется эффект воздушной каверны.
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" и пригодно к осуществлению промышленным путем.
На фиг. 1 схематически изображено судно на сжатом пневмопотоке, в котором используется импеллер, вид снизу, изометрия; на фиг. 2 схематически изображено судно, лежащее вверх днищем с выполнением основного продольного напорного воздухопровода с С-образующими продольными реданами с вырезом в верхней части корпуса; на фиг. 3 показан вид на кормовую часть судна с рулем; на фиг. 4 - сечение в диаметральном положении на входе в основной продольный воздухопровод.
Предлагаемое изобретение - устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, содержит корпус 1, который включает соосный импеллер (не показан) в кожухе расположенного в носовой части в специальной нише судна, где движение происходит в закрытом пространстве, состоящий из статора и ротора на оси вращения, лопатки которого выполнены криволинейными и повернутыми в вертикальной плоскости с заданным углом относительно друг друга для увеличения сжатого потока воздуха в корпусе крепления, при этом каждый из двух винтов вращается за счет редуктора (не показано для упрощения). Закрытый участок 2 корпуса судна со стороны носовой части, который переходит в закрытый пневмоканал 3 и их днища расположены удаленными на некотором расстоянии выше нижних опорных концов скегов 4 и 5. При этом средняя носовая часть и днища корпуса выполнена коротким клиновидным реданом 6 с уменьшающейся длиной и высотой килеватностью в направлении от носовой части до окончания закрытого пневмоканала 3 от нагнетательного устройства (не показано) с нулевой килеватностью по отношению к боковым скегам 4 и 5. Закрытый пневмоканал 3 сообщен с открытым каналом 7 днища корпуса в кормовой его части, который ограничен продолжением боковыми скегами 4 и 5, находящихся на заглублении ватерлинии, соответствующей режиму крейсерской скорости.
В средней части под днищем закрытого пневмоканала 3 закреплен продольный напорный воздухопровод 8 в виде центрального редана днища 3 с воздушными выпускными отверстиями 9. К выпускным воздушным отверстиям 9 присоединены С-образующие профили продольных реданов 10, следующими друг за другом по длине основного напорного воздухопровода 8, концы, которых заглушены. В плане С-образующие продольные реданы 10 образуют как бы лыжеобразные выступы с выполненными отверстиями 11 с обратными клапанами для выхода сжатого воздуха вниз, которые ориентированы в сторону опорной поверхности воды. Увеличенная в районе под днищем закрытого пневмоканала 3 по ширине между выступающими ниже боковыми скегами 4 и 5 в сочетании с развитыми носовыми глиссирующими элементами и расположением клиновидного редана 6 позволяет стабилизировать поток выходящего сжатого воздуха как из закрытого пневмоканала 3, так и поступающий воздух из отверстий 11 С-образующих напорных продольных реданов 10 в сторону открытого канала 7, заканчивающегося в кормовой части корпуса. С-образующие продольные реданы 10, расположенные по длине основного продольного воздухопровода 8 (редана), закреплены снизу к прямоугольному днищу закрытого пневмоканала 3. Выполнение основного воздухопровода 8 с С-образующими профилями продольных реданов 10, расположенных на определенном расстоянии выше нижних опорных концов скегов 4 и 5, но ниже днища закрытого пневмоканала 3 с прямоугольным его днищем между выступающими скегами 4 и 5, обеспечивают в условиях даже на мелководье сохранение расчетной осадки судна и снижение его сопротивления в условиях движения при сильном волнении или на спокойной воде и возможность повреждения находящихся элементов выше нижних опорных концов скегов 4 и 5, в целом воздух создает эффект «воздушной смазки» и дополнительный эффект «воздушной подушки». Следует отметить, что С-образующие продольные реданы 10 выполнены в виде лыж, позволяющих обеспечить снижение сопротивления трения.
Часть воздуха от источника в виде импеллера (не показано) подводится к основному продольному воздухопроводу 8 прикрытым отбойным козырьком 12, высота которого не должна превышать соответствующую высоту проходного сечения закрытого пневмоканала 3, соединенного с закрытым участком 2 от источника воздуха.
При этом конец основного продольного воздухопровода 8 выполнен сужающимся в виде сопла 13 диффузора в области открытого канала 7.
Таким образом, формирование каверн под днищем судна 1 с подачей сжатого воздуха от источника принудительной подачи воздуха в реданы (трубы), которые выполнены определенной формы, закрепленные снизу днища закрытого пневмоканала 3. При этом используя продольный напорный воздухопровод 8, за счет образовавшихся воздушных каверн между С-образующими продольными реданами 10 обеспечивают снижения сопротивления трения судна при его движении. Кроме того, весь воздух смешивается в открытом канале 7, далее поступает в концевую часть судна, где для управления судна на сжатом пневмопотоке закреплены два руля 14 и 15 (фиг. 3), которые содержат щитки 16 и 17, ограничивающих общий канал 7 выхода газоводяного потока воздуха и воды. В результате чего в открытом снизу днища корпуса судна в сторону канала 7 образуется один общий газоводяной реактивный поток симметрично продольного закрытого пневмоканала 3 с выходом сжатого воздуха через основной продольный редан 8 и с С-образующих продольных реданов 10 с отсечением обтекаемого козырька 12 вначале закрытого пневмоканала 3 с газовым потоком под днище пневмоканала 3, и, смешения с водой.
В конце кормовой части корпуса целесообразно закрепить горизонтальный потоконаправляющий элемент, выполненный в виде П-образного козырька 18 с наклоном 20…30° к корпусу крепления кормовой части, который образует защитный экран сверху и частично с боков в кормовой части судна, шириной равной расстоянию до расположения рулевых устройств со щитками, а также возможность часть выходящего сжатого потока направить в опорную поверхность воды, что создает на усилие и продолжение выхода газоводяного потока в атмосферу, при этом отсутствует залив палубы сзади кормы. Ось вращения рулей 14 и 15 соединены сверху на палубе в одном узле 19 регулируемыми тягами 20 и 21 для соединения с общей тягой управления экипажем (аналогично рулю автомобиля).
Таким образом, для поворота судна используется как воздух, так и толщу воды.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
В начале движения импеллер (не показан), расположенный в передней части корпуса 1, подает воздушную смесь высокого давления через сопло вначале в закрытый участок 2, далее в закрытый пневмоканал 3, при этом воздушная смесь, заполняя пневмоканал 3 и с помощью отбойного козырька 12, высота которого не превышает высоту закрытого пневмоканала 3, под углом по воздухопроводу 8 (фиг. 4) воздух проходит в С-образующие реданы 10 судна от работающего источника воздуха в виде импеллера. По воздухопроводу 8 сжатый воздух распределяется через выпускные отверстия 9 в С-образующие продольные реданы 10 с отверстиями 11 с обратными клапанами, что не позволяет воде поступать в С-образующие продольные реданы 10, а другая часть потока высокого давления направляется в конец воздухопровода 8 в виде также выполнения редана под днищем закрытого пневмоканала 3 в сужающее сопло 13 диффузора. В результате с помощью источника принудительной подачи воздуха в область продольных реданов 10 под днищем судна заполняется пространство, отведенное для этих целей объемы и, создавая тем самым и гидродинамической силы в целом, возникающих при начале движения судна на пневмопотоке, например, по водной поверхности, воздух создает эффект «воздушной смазки». Продольные С-образующие реданы 10 (в виде лыж) между бортовыми скегами 4 и 5 в рабочем положении образуют с днищем закрытого пневмоканала 3, образуют воздушное пространство за счет поступившего туда воздуха из отверстий 11, которые при движении судна создают с помощью С-образующих реданов 10 дополнительный эффект «воздушной подушки».
Следует также отметить, что боковые скеги 4 и 5, опорные концы которых расположены несколько ниже самих реданов 8 и 10, выполняют роль брызгоотражателей. В целом с этим с началом движения судна на пневмопотоке вся реактивная сила струй, соответственно, и тяга направлена не только в сторону опорной поверхности, но и в сторону между щитками 15 и 16 в конце кормы корпуса. Отсюда в целом увеличивается истечение и скорость, создается дополнительная тяга для движения вперед судна, а значит, при этом с подачей воздуха в днищевую полость под днищем закрытого пневмоканала уменьшается гидродинамическое сопротивление на эксплуатационных скоростях движения при практически постоянной мощности силовой установки в виде импеллера (затраты на подачу воздуха могут уменьшаться), чем достигается существенный прирост скорости хода и реализуется эффект воздушной каверны. Таким образом, С-образная кривизна продольных реданов по отношению крепления их к центральному основному продольному воздухопроводу (редану) с креплением к днищу закрытого пневмоканала и расположенных по ширине и длине прямоугольного днища корпуса, начиная от начала переходного закрытого участка и в сторону кормы, образуют глиссирующие поверхности таких реданов, оснащенными системой подачей воздуха в каверну, улучшает мореходные характеристики, и существенно снижают параметры килевой и бортовой качки при движении судна на пневмопотоке в условиях волнения. При движении на высокой скорости судно острым носом с коротким реданом прорезает волну, не успевая, вследствие инерционности, реагировать на циклическое изменения или поддержания, что обеспечивает экипажу и пассажирам комфортность при движении с высокой скоростью по волнам.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано особенно для маломерных судов на воздушной подушке, в результате повышаются эксплуатационные характеристики при создании быстроходных судов с улучшенной управляемостью у данного судна. Таким образом, в предлагаемом техническом решении эффективно используется весь общий воздушный поток от импеллера для создания роста хода судна с кавернами при неизменной мощности главного двигателя.
Предлагаемое судно на пневмопотоке в значительной степени имеет упрощение конструктивно по сравнению с прототипом; оно обладает большей эксплуатационной надежностью, и раскрытие сущности изобретения достаточны для его практической реализации при разработке и изготовлении данного судна на сжатом пневмопотоке.