Аэродинамическое судно
AERODYNAMIC VESSEL

Изобретение относится к области судостроения и может найти применение в качестве транспортного средства.
Известно судно, содержащее корпус с водительским отделением, установленный на поплавки, внутри которого расположен двигатель с муфтой сцепления, механически соединенный с несущими винтами самолетного типа большого диаметра, установленными по два спереди и сзади под углом 25 градусов к корпусу.
(Авт. свид. СССР №312788, 1971).
Недостатками известного судна являются: большая энерговооруженность, повышенная опасность при эксплуатации, большие переменные нагрузки на лопасти винтов, работающих на границе двух сред и небольшая высота подъема корпуса судна над поверхностью воды.
Указанные недостатки обусловлены выбранной схемой конструкции судна.
Известно также аэродинамическое судно, содержащее корпус с водительским и пассажирским отделениями, главный двигатель, размещенный в носовой части корпуса судна, механически связанный посредством силовой передачи с движителями вертикального подъема, маршевый двигатель, расположенный в кормовой части судна, механически связанный посредством силовой передачи с маршевыми движителями, главный редуктор, два двойных конических дифференциала, одна из полуосей одного из которых соединена с двумя передними парами движителей вертикального подъема, а другая полуось соединена с двумя задними парами движителей вертикального подъема, одна полуось другого дифференциала соединена с парой движителей вертикального подъема левого борта, а другая полуось соединена с парой средних движителей вертикального подъема правого борта, при этом тормоза тормозных барабанов упомянутых дифференциалов соединены с ручкой управления корпусом судна в пространстве, в задней части корпуса судна установлены вертикальные водовоздушные рули направления, соединенные с педалями путевого управления, дисковые движители вертикального подъема цилиндрические и внутри каждого из них размещен редуктор, ведущий вал которого пропущен через боковое отверстие корпуса, а ведомые валы размещены вертикально и на них закреплены верхние и нижние группы дисков.
(Патент РФ №2149109, 2000, кл. B60V 1/14, 3/06).
Аэродинамическое судно по патенту РФ №2149109, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому полезному результату, принято за прототип.
Недостатком известного аэродинамического судна, принятого за прототип, является недостаточная подъемная сила движителей вертикального подъема.
Указанный недостаток обусловлен конструкцией дисков движителей вертикального подъема.
Задачей настоящего изобретения является повышение технических характеристик аэродинамического судна.
Технический результат обеспечивается тем, что в аэродинамическом судне, содержащем корпус с водительским и пассажирским отделениями, главный двигатель, размещенный в носовой части корпуса судна, механически связанный посредством силовой передачи с движителями вертикального подъема, маршевый двигатель, расположенный в кормовой части судна, механически связанный посредством силовой передачи с маршевыми движителями, главный редуктор, два двойных конических дифференциала, одна из полуосей одного из которых соединена с двумя передними парами движителей вертикального подъема, а другая полуось соединена с двумя задними парами движителей вертикального подъема, одна полуось другого дифференциала соединена с парой движителей вертикального подъема левого борта, а другая полуось соединена с парой средних движителей вертикального подъема правого борта, при этом тормоза тормозных барабанов упомянутых дифференциалов кинематически соединены с ручкой управления корпусом судна в пространстве, в задней части корпуса судна установлены вертикальные водовоздушные рули направления, соединенные с педалями путевого управления, дисковые движители вертикального подъема цилиндрические и внутри каждого из них размещен редуктор, ведущий вал которого пропущен через боковое отверстие корпуса, а ведомые валы размещены вертикально и на них закреплены верхние и нижние группы дисков, согласно изобретению каждый из дисков выполнен из двух взаимозаменяемых дисков, болтами соединенных между собой своими торцевыми поверхностями, на верхней наружной поверхности верхнего диска и на нижней наружной поверхности нижнего диска выполнены остроконечные радиальные зубья, сужающиеся к центру вращения и расширяющиеся от центра вращения, причем зубья на верхней поверхности верхнего диска отклонены в противоположную сторону от направления вращения, а зубья на нижней поверхности нижнего диска отклонены в направлении вращения, причем наружная поверхность каждого зуба выполнена в форме выпуклой гиперболической кривой, начальная точка которой лежит на торцевой поверхности дисков, а внутренняя поверхность каждого зуба - вогнутая и представляет собой часть окружности, соединяющей вершину зуба и торцевую поверхность диска, причем вершина зуба верхнего диска находится над начальной точкой гиперболической кривой предыдущего зуба, а вершина предыдущего зуба нижнего диска находится под начальной точкой гиперболической кривой последующего зуба, при этом между зубьями верхнего диска на торцевой поверхности образованы поверхности низкого давления воздуха, а между зубьями нижнего диска образованы поверхности высокого давления.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фигуре 1 - изображен общий вид аэродинамического судна;
на фигуре 2 - вид на аэродинамическое судно сверху;
на фигуре 3 - вид на аэродинамическое судно снизу;
на фигуре 4 - разрез по миделю;
на фигуре 5 - схема привода движителей вертикального подъема;
на фигуре 6 - устройство двухвального редуктора;
на фигуре 7 - устройство трехвального редуктора;
на фигуре 8 - устройство двойного конического дифференциала;
на фигуре 9 - общий вид движителя вертикального подъема;
на фигуре 10 - вид на движитель вертикального подъема сверху;
на фигуре 11 - движитель вертикального подъема в разрезе;
на фигуре 12 - редуктор движителя вертикального подъема в разрезе;
на фигуре 13 - общий вид диска движителя вертикального подъема;
на фигуре 14 - вид на диск движителя вертикального подъема сверху;
на фигуре 15 - устройство зубьев на дисках движителя вертикального подъема;
на фигуре 16 - схема создания подъемной силы на диске движителя вертикального подъема;
на фигуре 17 - схема привода маршевых движителей;
на фигуре 18 - схема путевого управления аэродинамического судна;
на фигуре 19 - схема управления аэродинамического судна в пространстве;
на фигуре 20 - схема подъема корпуса аэродинамического судна над поверхностью воды;
на фигуре 21 - схема набора высоты аэродинамического судна при движении над поверхностью воды;
на фигуре 22 - схема снижения аэродинамического судна при движении над поверхностью воды;
на фигуре 23 - наклон корпуса аэродинамического судна на правый борт;
на фигуре 24 - наклон корпуса аэродинамического судна на левый борт.
1
1
Аэродинамическое судно содержит корпус 1 обтекаемой формы плоскодонный с успокоителями бортовой качки 2, размещенные на днище. Снаружи корпуса в его задней части установлены маршевые движители 3 в форме воздушных винтов изменяемого шага размещенных в кольцах 4 и водовоздушные рули направления 5, а по бортам корпуса выполнены боковые отсеки 6 имеющие сверху и снизу решетки 7. Внутри корпуса 1 выполнены водительское и пассажирское отделения. Главный двигатель 8, установленный в носовой части корпуса судна 1 и, имеющий муфту сцепления 9, соединен механически с главным редуктором 10, который карданным валом 11 соединен с двойным коническим дифференциалом 12 продольного управления корпусом судна и имеющего тормозные барабаны 13 с тормозами 14, 15. Полуоси указанного дифференциала карданными валами 16 и 17 соединены через передний 18, задний 19 и бортовые редукторы 20 с передними 21, 22, 23, 24 и задними 25, 26, 27, 28 движителями вертикального подъема. Главный редуктор 10 также карданным валом 29 соединен с двойным коническим дифференциалом 30 поперечного управления корпусом 1 аэродинамического судна. Полуоси этого дифференциала, имеющего тормозные барабаны 31 с тормозами 32 и 33 соединены карданными валами 34,35 через бортовые редукторы 20 со средними движителями вертикального подъема 36, 37 левого борта и 38, 39 правого борта. Передний 18 и задний 19 редукторы имеют одинаковое устройство и каждый из них содержит корпус 40, закрытый крышкой 41. В подшипниках корпуса 40 установлен ведущий вал 42 с закрепленной на нем ведущей шестерней 43, входящей в зацепление с ведомыми шестернями 44, 45, закрепленными на ведомых валах 46, 47, установленных в подшипниках корпуса 40. Часть бортовых редукторов может быть трехвальными, а часть двухзальными. Двухвальный редуктор содержит корпус 48, закрытый крышкой 49, в подшипнике которого закреплен вал 50 с шестерней 51, входящей в зацепление с шестерней 52, закрепленной на валу 53, установленным в подшипнике крышки 49. Оба двойных конических дифференциала 12 и 30 одинаковые по конструкции. Каждый из них содержит наружный корпус 54, закрытый крышками 55, 56 в одной из которых закреплен подшипник с ведущим валом 57, ведущая шестерня 58 которого входит в зацепление с шестерней 59 внутреннего корпуса 60. В подшипниках внутреннего корпуса 60 установлены два двойных сателлита 61, 62, каждый из которых имеет большую и малую шестерни. С большими шестернями сателлитов входят в зацепление шестерни 63, 64 тормозных барабанов, а с малыми шестернями сателлитов входят в зацепление шестерни 65, 66, закрепленные на полуосях 67, 68. Все движители вертикального подъема одинаковы по конструкции и каждый из них содержит вертикальный цилиндрический корпус 69, открытый сверху и снизу, имеющий снаружи опорные шейки 70, одна из которых имеет отверстие, в которое пропущен ведущий вал 71 редуктора 72, размещенного внутри средней части корпуса 69. Редуктор 72 прикреплен к корпусу 69 посредством кронштейнов 73 и содержит корпус 74 закрытый крышкой 75. Ведомые валы 76, 77, размещенные вертикально, имеют с одной стороны ведомые шестерни 78, 79, входящие в зацепление с ведущей шестерней 80, закрепленной на ведущем валу 71, а с другой стороны на них закреплены верхняя 81 и нижняя 82 группы дисков, имеющих зазор с корпусом 69 движителя вертикального подъема. Один конец каждого из ведомых валов 76, 77 закреплен в подшипнике корпуса редуктора 72, а другой конец каждого из них закреплен в подшипнике 83, привернутого посредством кронштейнов к корпусу 69 движителя вертикального подъема. Диски на ведомых вертикальных валах установлены на некотором расстоянии друг от друга, один над другим и представляет собой два взаимозаменяемых диска 84, 85, болтами соединенных между собой своими торцевыми поверхностями, на верхней наружной поверхности верхнего диска 84 и на нижней наружной поверхности нижнего диска 85 выполнены остроконечные радиальные зубья 86, сужающиеся к центру вращения дисков 84, 85 и расширяющиеся от центра вращения. Зубья 86 на верхней поверхности верхнего диска 84 отклонены в противоположную сторону от направления вращения, а зубья 86 на нижней поверхности нижнего диска 85 отклонены в направлении вращения. (фиг. 15). Наружная поверхность каждого зуба 86 выполнена в форме выпуклой гиперболической кривой, начальная точка которой лежит на торцевой поверхности каждого диска 84, 85, а внутренняя поверхность каждого зуба 86 - вогнутая и представляет собой часть окружности, соединяющей вершину зуба и торцевую поверхность диска. Вершина зуба 86 верхнего диска 84 находится над начальной точкой гиперболической кривой предыдущего зуба, а вершина предыдущего зуба 86 нижнего диска 85 находится под под начальной точкой гиперболической кривой последующего зуба (фиг. 15, показано пунктирной линией). (О гиперболической кривой см. И.И. Артоболевский, Механизмы в современной технике, т. 2, М., "Наука", главная редакция физико-математической литературы, 1979, с. 122, №1023, кривая р-р, начальная точка L на поверхности А-х). Между зубьями 86 верхнего диска 84 на торцевой поверхности образованы поверхности низкого давления воздуха, а между зубьями 86 нижнего диска 85 образованы поверхности высокого давления воздуха, равные по площади L=L зубья по высоте также равны h=h. Маршевый двигатель 87, имеющий муфту сцепления 88, установленный в кормовой части судна, карданным валом 89 соединен с редуктором 90, имеющим такое же устройство, что описанный ранее трехвальный редуктор, выходные валы которого посредством карданных валов 91 соединены с внутренними редукторами 92, установленными в кольцах 4, на ведомых валах которых закреплены воздушные маршевые движители в форме воздушных винтов изменяемого шага, кинематически связанные с механизмом управления движением аэродинамическим судном в прямом и обратном направлениях. Позади маршевых движителей установлены водовоздушные рули 5, которые посредством гидравлической системы соединены с педалями путевого управления, состоящей из масляного бака 93, масляного насоса 94, приводимого в движение электродвигателем, не показанном на чертеже, правого 95 и левого 96 гидравлических кранов, исполнительного гидроцилиндра 97, соединенного с рычагами 99. В систему путевого управления также входят ножные педали 100, закрепленные на оси 101 и имеющих рычаг 102, взаимодействующий с золотниками правого 95 и левого 96 гидравлических кранов. Система управления аэродинамическим судном в пространстве содержит ручку управления 103. закрепленную шарнирно на валу 104, установленным на подшипниках и имеющим рычаг 105, взаимодействующий с золотниками гидравлических кранов 106, 107 продольного наклона, которые посредством трубопроводов гидравлически соединены с гидроцилиндрами 108, 109 привода тормозов двойного конического дифференциала продольного наклона 12 корпуса судна. На нижнем конце ручки управления 103 имеется полукруглый сектор 110, взаимодействующий с золотниками гидравлических кранов 111, 112, которые гидравлически соединены с гидроцилиндрами 113, 114 привода тормозов двойного конического дифференциала 30 поперечного наклона корпуса судна. Кроме того гидравлическая система управления корпусом судна в пространстве имеет масляный бак 115, масляный насос 116 с редукционным клапаном 117, приводимым в движение электродвигателем, не показанном на чертеже.
Работает аэродинамическое судно следующим образом.
1
После запуска и прогрева двигателей 8, 87, проверки работы всех систем аэродинамическое судно готово к движению. Для этого включается муфта сцепления 9. Вращающийся момент от двигателя 8 через главный редуктор 10 карданными валами 11 и 29 передается на двойные конические дифференциалы 12 и 30. Полуоси обоих дифференциалов приходят во вращение и посредством карданных валов 16, 17, 34, 35 передают вращение через передний 18 и задний 19 редукторы карданными валами на бортовые редукторы 20, а с них на редукторы 72 движителей вертикального подъема 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 36, 37, 38, 39. Ведомые вертикальные валы 76, 77 приходят во вращение и вращают верхние группы 81 дисков в одну сторону, а нижние группы 82 дисков движителей вертикального подъема в противоположную сторону. При вращении каждого диска в направлении, показанном стрелкой на фигуре 16, вместе с ним вращаются и частицы воздуха. На верхнем диске 84 воздушный поток V обтекает гиперболические поверхности радиальных зубьев 86, создавая на них силы разрежения F, уменьшая на них давление воздуха. Воздушный поток V, движущийся над зубьями 86, заставляет воздух, находящийся между зубьями 86, двигаться вверх и соединяться вместе с ним, на фигуре 16 показано пунктирными стрелками. В результате отсоса воздуха между зубьями возникает сила разрежения Fp, уменьшающая давление воздуха на поверхности низкого давления L верхних дисков 84 (фиг. 15). Воздушный поток V, обтекающий нижние диски 85 попадает в пространство между радиальными зубьями 86, задерживается там и производит давление на поверхности высокого давления L с силой Fд. (там же, фиг. 16). В результате силы F, Fp, Fд, складываются и образуют равнодействующую силу Fп, направленную вверх, величина которой может изменяться в ту или иную сторону путем изменения частоты вращения ведущего вала 71 и соответственно верхней и нижней групп дисков 81 и 82. По мере увеличения частоты вращения верхней и нижней групп дисков 81 и 82 подъемная сила Fn движителей вертикального подъема 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 36, 37, 38, 39 увеличивается и как только ее величина превысит вес аэродинамического судна Р, оно отрывается от поверхности воды и поднимается на некоторую высоту (фиг. 20). Величина подъемной силы регулируется частотой вращения вала главного двигателя 8. Как только аэродинамическое судно поднимется на необходимую высоту включается муфта сцепления 88. Вращающийся момент от маршевого двигателя 87 карданными валами 89, 91 через редуктор 90 и внутренние редукторы 92 подается на воздушные винты изменяемого шага 3. В зависимости от угла установки лопастей воздушные винты создают тягу, которая направлена вперед или назад, либо используется для торможения. Скорость движения аэродинамического судна регулируется увеличением или уменьшением частоты вращения вала маршевого двигателя 87 и углом установки лопастей воздушного винта 3. При полете аэродинамического судна над поверхностью воды или суши управление судном в пространстве осуществляется посредством ручки управления 103. Для набора высоты ручку управления 103 необходимо передвинуть в положение "на себя". В этом случае вместе с ней поворачивается и рычаг 105, который нажимает на золотник гидравлического крана 106 (фиг. 19). Масло из масляного бака 115 масляным насосом 116 станет подаваться в гидроцилиндр 109, шток которого выдвигается и тормоз 15 нажмет на задний тормозной барабан 13 двойного конического дифференциала 12 продольного управления корпусом судна. Задняя полуось этого дифференциала уменьшит частоту вращения, а передняя полуось увеличит частоту вращения на такую же величину. Частота вращения групп дисков 81 и 82 задних движителей вертикального подъема 25, 26, 27, 28 уменьшится а частота вращения групп дисков 81 и 82 передних движителей вертикального подъема 21, 22, 23, 24 увеличится на такую же величину. Подъемная сила в носовой части корпуса судна 1 увеличится, а в кормовой части уменьшится и судно станет осуществлять режим набора высоты (фиг. 21). При перемещении ручки управления 103 в положение "от себя"рычаг 105 поворачивается в противоположную сторону и нажимает на золотник гидравлического крана 107. Масло из масляного бака 115 масляным насосом 116 станет подаваться в гидроцилиндр 108, шток которого выдвигается и тормоз 14 нажимает на передний тормозной барабан 13 двойного конического дифференциала 12 продольного управления. Частота вращения групп дисков 81, 82 передних движителей вертикального подъема 21, 22, 23, 24 уменьшится, а частота вращения групп дисков 81, 82 задних движителей вертикального подъема 25, 26, 27, 28 на такую же величину увеличится. Подъемная сила в носовой части корпуса судна 1 уменьшится, а в кормовой части возрастет и корпус судна, повернувшись вокруг поперечной оси, станет осуществлять снижение (фиг. 22). При перемещении ручки управления 103 в положение "вправо" она поворачивается вокруг оси и своим полукруглым сектором 110 нажимает на золотник гидравлического крана 111. Масло из масляного бака 115 масляным насосом 116 станет подаваться в гидроцилиндр 114, шток которого выдвигается и тормозом 15 нажимает на правый тормозной барабан 13 двойного конического дифференциала 30 поперечного управления. Правая полуось упомянутого дифференциала уменьшит частоту вращения, а его левая полуось увеличит частоту вращения на такую же величину. Частота вращения групп дисков 81, 82 средних движителей вертикального подъема 38, 39 правого борта уменьшится, а частота вращения групп дисков 81, 82 средних движителей вертикального подъема 36, 37 левого борта увеличится на такую же величину. Подъемная сила правого борта уменьшится, а левого борта возрастет и корпус судна 1 повернется вокруг продольной оси, сделав крен вправо (фиг. 23). При отклонении ручки управления 103 в положение "влево" полукруглый сектор 110 повернется вправо и нажмет на золотник гидравлического крана 112. Масло из масляного бака 115 масляным насосом 116 станет подаваться в гидроцилиндр 113, шток которого выдвинется и тормоз 14 нажмет на левый тормозной барабан 13 двойного конического дифференциала 30 поперечного управления. Левая полуось уменьшит скорость своего вращения, а правая полуось увеличит скорость вращения на такую же величину. Частота вращения групп дисков 81, 82 средних движителей вертикального подъема 36, 37 левого борта уменьшится, а частота вращения групп дисков 81, 82 средних движителей вертикального подъема 38, 39 правого борта увеличится на такую же величину. Подъемная сила левого борта уменьшится, а правого борта увеличится и корпус судна 1 повернется вокруг продольной оси, делая крен влево (фиг. 24). После выполнения маневра ручка управления 103 перемещается в нейтральное поло-жжение. Применение двойных конических дифференциалов 12, 30 с тормозами, работающими в масле исключает полную остановку движителей вертикального подъема и потерю подъемной силы в какой-либо части корпуса судна 1. Аэродинамическое судно может также двигаться в водоизмещающем режиме. Для этого останавливается главный двигатель 8, а маршевый двигатель 87 приводит во вращение воздушные винты изменяемого шага 3, которые обеспечивают движение вперед, назад и торможение. Путевое управление аэродинамическим судном, при любом способе движения, осуществляется посредством ножных педалей 100. При нажатии на правую педаль рычаг 102 нажимает на золотник гидравлического крана 96. Масло из масляного бака 93 масляным насосом 94 подается в правую полость гидроцилиндра 97, поршень которого смещается влево, в нейтральном положении он находится в средней части гидроцилиндра (фиг. 18), передвигает в ту же сторону шток 98, который через рычаги 99 поворачивает водовоздушные рули 5 вправо. Набегающий водный или воздушный поток отклоняет корпус судна 1 вправо. При нажатии на левую ножную педаль 100 рычаг 102 отклоняется вправо и нажимает на золотник гидравлического крана 95. Масло из масляного бака 93 масляным насосом 94 станет подаваться левую полость гидроцилиндра 97. Шток передвинется вправо и через рычаги 99 повернет водовоздушные рули 5 влево и корпус судна 1 станет поворачивать влево. Во время движения аэродинамического судна в водоизмещающем режиме, при посадке на воду успокоители 2 уменьшают бортовую качку, а при посадке насушу используются в качестве посадочного устройства, предохраняя корпус судна 1 от разрушения. После прибытия на место назначения, производится снижение, как было описано выше, выбирается место посадки, уменьшается частота вращения вала главного двигателя 8, постепенно уменьшается подъемная сила и судно опускается на поверхность воды. К причалу аэродинамическое судно движется в водоизмещающем режиме и после подхода к нему и остановки оба двигателя 8 и 87 останавливаются. Аэродинамическое судно может быть использовано для доставки грузов и людей в труднодоступные районы с короткой навигацией.
Положительный эффект изобретения состоит в повышении грузоподъемности и эксплуатационных характеристик аэродинамического судна.