ГИДРОРЕАКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ КАЧКИ СУДНА В ГИДРОРЕАКТИВНУЮ ЭНЕРГИЮ
HYDROJET DEVICE FOR CONVERSION OF MECHANICAL ENERGY OF SHIP'S OSCILLATING MOTION TO HYDROJET ENERGY

Изобретение относится к устройствам для преобразовния энергии волн, в частности для преобразования энергии колебания судна в гидрореактивную энергию, в том числе и при штормовых условиях с одновременным уменьшением качки гидрореактивного устройства вместе с устройством, на котором оно установлено, например судна.
Известно устройство для уменьшения скорости дрейфа судна, содержащее расположенные в носовом бульбе симметрично относительно диаметральной плоскости судна вертикальные входные каналы, соединенные посредством поворотных колен с соответствующими горизонтальными выходными каналами для создания при килевой качке судна тяговой силы, уменьшающей скорость дрейфа судна (см. патент RU №2184047, 27.06.2002).
Данное устройство позволяет использовать энергию волн только при килевой качке, что сужает его возможности.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является гидрореактивное устройство для преобразования механической энергии качки судна в гидрореактивную энергию, содержащее водовод, выполненный в виде расположенных симметрично относительно его продольной оси системы сужающихся по ходу потока сопел с входными водозаборными отверстиями, образованных вертикальными боковыми стенками и плоскими пластинами с вогнутым относительно продольной оси водовода входным участком, причем водовод разделен, по меньшей мере, на два каскада, в каждом из которых сформированы симметрично относительно его продольной оси системы сопел, вертикальные боковые стенки выполнены общими для каждого каскада сопел, со скошенными по ходу потока передними кромками, образующими тупой угол, вершина которого расположена на продольной оси водовода, каждый последующий каскад выполнен увеличивающимся по высоте, каскады соединены между собой посредством соединительных планок, каждый каскад водовода имеет верхний и нижний внешние каналы, по крайней мере, один внутренний верхний и один внутренний нижний каналы и один центральный канал, причем входное водозаборное отверстие центрального канала расположено вертикально, перпендикулярно продольной оси водовода (см. патент RU №2447316, кл. F03B 13/14, 10.04.2012).
Данное устройство создает гидрореактивную силу.
Однако данное устройство не в полной мере использует энергию волн при ее преобразовании в гидрореактивную энергию.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение арсенала технических средств, которые позволяют более полно преобразовывать энергию волн в гидрореактивную энергию.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является повышение эффективности его использования при преобразовании энергии волн в гидрореактивную энергию.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что гидрореактивное устройство для преобразования механической энергии качки судна в гидрореактивную энергию содержит водовод, выполненный в виде расположенных симметрично относительно его продольной оси системы сужающихся по ходу потока сопел с входными водозаборными отверстиями, образованных вертикальными боковыми стенками и плоскими пластинами с вогнутым относительно продольной оси водовода входным участком, причем водовод разделен, по меньшей мере, на два каскада, в каждом из которых сформированы симметрично относительно его продольной оси системы сопел, вертикальные боковые стенки выполнены общими для каждого каскада сопел, со скошенными по ходу потока передними кромками, образующими тупой угол, вершина которого расположена на продольной оси водовода, каждый последующий каскад выполнен увеличивающимся по высоте, каскады соединены между собой посредством соединительных планок, каждый каскад водовода имеет верхний и нижний внешние каналы, по крайней мере, одно внутреннее верхнее и одно внутреннее нижнее сопла и одно центральное сопло, причем входное водозаборное отверстие центрального сопла расположено вертикально, перпендикулярно продольной оси водовода, соединительные планки наклонены к продольной оси водовода в вертикальной плоскости под углом от 7° до 13°, водовод выполнен расширяющимся вдоль продольной оси водовода в горизонтальной плоскости, плоские пластины согнуты симметрично и выпукло относительно продольной оси водовода в горизонтальной плоскости с образованием тупого угла от 167° до 173°, с наружной стороны боковых стенок водовода установлены образованные спиралевидными вертикальными полосами турбулизаторы потока воды.
В ходе проведенных испытаний было установлено, что гидродинамическое устройство или устройства, закрепленное или закрепленные на корпусе судна, работают как дополнительный гидрореактивный движитель, утилизируя энергию колебаний массы судна в набегающей волне и придавая судну дополнительный «упор» при движении передним ходом вразрез волны, в том числе и при штормовых условиях.
Для этого наиболее целесообразно выполнение гидрореактивного устройства для преобразования механической энергии качки судна в гидрореактивную энергию, содержащего водовод, выполненный в виде расположенных симметрично относительно его продольной оси системы сужающихся по ходу потока сопел с входными водозаборными отверстиями, образованных вертикальными боковыми стенками и плоскими пластинами с вогнутым относительно продольной оси водовода входным участком, причем водовод разделен, по меньшей мере, на два каскада, в каждом из которых сформированы симметрично относительно его продольной оси системы сопел, вертикальные боковые стенки выполнены общими для каждого каскада сопел, со скошенными по ходу потока передними кромками, образующими тупой угол, вершина которого расположена на продольной оси водовода, каждый последующий каскад выполнен увеличивающимся по высоте, каскады соединены между собой посредством соединительных планок, каждый каскад водовода имеет верхний и нижний внешние каналы, по крайней мере, один внутренний верхний и один внутренний нижний канал и один центральный канал, причем входное водозаборное отверстие центрального канала расположено вертикально, перпендикулярно продольной оси водовода, соединительные планки наклонены к продольной оси водовода в вертикальной плоскости под углом от 7° до 13°, водовод выполнен расширяющимся вдоль продольной оси водовода в горизонтальной плоскости, плоские пластины согнуты симметрично и выпукло относительно продольной оси водовода в горизонтальной плоскости с образованием тупого угла от 167° до 173°, с наружной стороны боковых стенок водовода установлены образованные спиралевидными вертикальными полосами турбулизаторы потока воды.
Было выявлено, что внутри и снаружи гидрореактивного устройства образуется множество вихрей, стремящихся сохранить положение осей вращения своих масс. Демпфируя возмущающие силы, раскачивающие судно, и противодействуя этим силам подобно гидрогироскопу, гидрореактивное стабилизирующее устройство способствует стабилизации положения судна на курсе и уменьшению качки судна, особенно в штормовых условиях плавания.
Замедляя темп и нарушая ритм колебаний судна в системе «волны - судно», стабилизатор значительно уменьшает количество и амплитуду максимальных «взлетов и падений» судна, т.е. резонансных колебаний.
Уменьшение амплитуды килевой качки судна (изменение дифферента с 6-7 градусов до 2-3 град), эффективно способствует оптимизации вектора силы упора движителя, по линии винт - вал - корпус, что в свою очередь компенсирует неизбежные потери хода при движении судна против волны и ветра в условиях значительной амплитуды килевой качки.
Установка на каждой боковой стенке водовода с наружной его стороны образованных спиралевидными вертикальными полосами турбулизаторов потока воды позволяет использовать возникающую заданную турбулентность струи воды на выходе из этих камер для оптимизации условий выхода потоков воды из водовода в полном цикле килевой и вертикальной качки, выходящей из гидрореактивного устройства, как при всплытии носа судна и/или кормы (в зависимости от места установки гидрореактивного устройства), так и при погружении, вследствие качки. Этот фактор позволяет расширить устройство на выходе «среднего» потока относительно входа и получить более мощный гидрореактивный эффект, не увеличивая общих габаритов устройства, а также добиться уменьшения дрейфа судна «под ветер».
Выполнение соединительных планок наклоненными к продольной оси водовода в вертикальной плоскости под углом от 7° до 13° в сочетании с выполнением водовода, расширяющимся вдоль продольной оси водовода в горизонтальной плоскости, и выполнением плоских пластин согнутыми симметрично и выпукло относительно продольной оси водовода в горизонтальной плоскости с образованием тупого угла от 167° до 173° обеспечивает при возвратно-поступательном перемещении вверх и вниз гидрореактивного устройства во время качки судна снижение гидродинамических потерь при входе потоков воды в сужающиеся сопла и одновременно ускорения сброса части потоков к боковым стенкам, что в свою очередь выравнивает по поперечному сечению сопел создаваемую потоками воды тягу. Увеличение изгиба пластин вызывает создание поперечной составляющей потока, которая приводит к снижению осевой составляющей скорости потока воды и снижению создаваемой тяги. Уменьшение изгиба пластин не позволяет обеспечить перераспределение потока из центральной области сопла к его боковым стенкам и, как следствие, не позволяет эффективно выравнивать скорость потока по поперечному сечению сопла. Увеличение наклона к продольной оси водовода соединительных планок облегчает вход потока воды с фронтальной стороны, но снижает поступление в вертикальной плоскости, что снижает создаваемую тягу при килевой качке. В то же время уменьшение наклона соединительных планок приводит к увеличению фронтального гидравлического сопротивления. Таким образом, полученные экспериментально указанные выше диапазоны углов обеспечивают создание максимально возможной тяги гидрореактивным устройством при качке судна и движении его в штормовую погоду.
При движении судна вперед вода в процессе обтекания спиралевидных вертикальных турбулизаторов вдоль боковых стенок водовода формируется вихри с турбулентностью заданной направленности вращения. Возникающий при этом турбулентный закрученный поток воды положительно влияет на скорость выхода потока воды из водовода гидрореактивного устройства как при всплытии носа судна и/или кормы (в зависимости от места установки гидрореактивного устройства), так и при погружении, вследствие качки. Этот фактор позволяет выполнить устройство расширяющимся по ходу потока воды на выходе «среднего» потока (потока воды между каскадами сопел) относительно входа и получить более мощный гидрореактивный эффект, почти не увеличивая общих габаритов гидрореактивного устройства.
Установленное на судне ниже его ватерлинии на месте носового бульба гидрореактивное устройство позволяет преобразовывать энергию вертикальной и килевой качки судна в гидрореактивную энергию, что в свою очередь позволяет стабилизировать положение судна в штормовых условиях плавания и уменьшить качку судна. Кроме того, устройство в сочетании с положительными качествами бульба по снижению гидравлического сопротивления движению судна преобразует энергию качки в гидрореактивную энергию струи воды, которая при переднем ходе судна способна компенсировать часть потери скорости при движении судна в штормовых условиях против волны без увеличения оборотов винта, что позволяет экономить расход топлива в штормовых условиях плавания.
На фиг.1 представлена фотография гидрореактивного устройства.
На фиг.2 представлен чертеж вида сбоку с условно прозрачными боковыми стенками.
На фиг.3 представлен чертеж вида сверху на гидрореактивное устройство.
Гидрореактивное устройство для преобразования механической энергии качки судна в гидрореактивную энергию содержит водовод 1, выполненный в виде расположенных симметрично относительно его продольной оси системы сужающихся по ходу потока сопел 2, 3, 4, 5, 6, 7 с входными водозаборными отверстиями 8, 9, 10, 11, 12, 13, образованных вертикальными боковыми стенками 14 и плоскими пластинами 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 и 22 с вогнутым относительно продольной оси 23 водовода 1 входным участком.
Водовод 1 разделен, по меньшей мере, на два каскада 24 и 25, в каждом из которых сформированы симметрично относительно его продольной оси 23 системы сопел, в одном сопла 2, 3 и 4 и в другом 5, 6 и 7. Вертикальные боковые стенки 14 выполнены общими для каждого каскада 24 и 25 соответственно сопел 2, 3, 4, 5, 6, 7 со скошенными по ходу потока передними кромками 26 и 27, образующими тупой угол α, вершина которого расположена на продольной оси 23 водовода 1. Каждый последующий каскад, т.е. каскад 25, расположенный за каскадом 24 по ходу потока воды, выполнен увеличивающимся по высоте. Каскады 24 и 25 соединены между собой посредством соединительных планок верхних 28 и нижних 29. Каждый каскад 24 и 25 водовода 1 имеет верхний 30 и нижний 31 внешние каналы, по крайней мере, одно внутреннее верхнее 2 и 5 и одно внутреннее нижнее 4 и 7 сопла и одно центральное сопло 3 и 6, причем входное водозаборное отверстие 8 и 12 центрального сопла 3 и 6 расположено вертикально, перпендикулярно продольной оси 23 водовода 1.
Соединительные планки 28 и 29 наклонены к продольной оси 23 водовода 1 в вертикальной плоскости под углом β от 7° до 13°. Водовод 1 выполнен расширяющимся вдоль продольной оси 23 водовода 1 в горизонтальной плоскости. Плоские пластины 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 и 22 согнуты симметрично и выпукло относительно продольной оси 23 водовода 1 в горизонтальной плоскости с образованием тупого угла γ от 167° до 173°.
С наружной стороны боковых стенок 14 водовода 1 установлены образованные спиралевидными вертикальными полосами турбулизаторы 32 потока воды.
Гидрореактивное устройство устанавливают в носовой части корпуса судна и/или со стороны его кормы ниже ватерлинии, что позволяет гидрореактивному устройству реализовывать свои возможности при колебаниях судна в направлении вертикальной оси (всплывание) и угловых колебаниях вокруг поперечной оси (килевая качка).
Преобразование энергии качки в реактивный упор происходит в результате наполнения сужающихся по ходу потока воды сопел 2, 3, 4, 5, 6 и 7 и внешних каналов 30 и 31 через водозаборные отверстия 8, 9, 10, 11, 12, 13 устройства водой и проталкивания потоков воды напором набегающего потока воды через указанные сопла каскадов 24 и 25 и выхода потоков воды из сопел 2, 3, 4, 5, 6 и 7 со скоростью большей, чем при входе в эти каналы, и в направлении, противоположном движению судна на переднем ходу, создавая гидродинамический упор.
По существу гидродинамическое устройство или устройства, закрепленное или закрепленные на корпусе судна, работают как дополнительный гидрореактивный движитель, утилизируя энергию колебаний массы судна в набегающей волне и придавая судну дополнительный «упор» при движении передним ходом вразрез волны.
В качестве примера использования гидрореактивного устройства предлагается более подробное описание его работы по варианту колебаний судна вокруг поперечной оси (килевая качка).
При движении гидрореактивного устройства, установленного в носовой оконечности судна, вперед и вверх в толще воды происходит движение гидрореактивного устройства вперед и вверх. В верхний внешний канал 30, расположенные сверху сопла 2 и 5 и расположенные в центре сопла 3 и 6 каждого каскада 24 и 25 интенсивно поступает вода. Частично вода поступает в аналогичные нижний канал 31 и расположенные снизу сопла 4 и 7.
При входе в указанные каналы потоки находятся под напором воды, набегающей на устройство и, кроме того, в каждый последующий каскад 25 после первого каскада 24.
Напор набегающей воды обеспечивает прохождение потоков через указанные выше сопла 2, 3, 5, 6, которые изменяют в заданном направлении вдоль судна движение потоков воды, а также создают условия для прохождения потоков воды через указанные сопла 2, 3, 5, 6 для создания вследствие сжатия потока более высокой, чем при входе, скорости движения потока на выходе из гидродинамического устройства, что позволяет преобразовать энергию качки в гидрореактивную силу, направленную горизонтально по ходу движения судна.
При движении носовой оконечности судна вперед и вниз происходит движение установленного на носовой оконечности судна гидрореактивного устройства вперед и вниз. В расположенные снизу сопла 4 и 7 и расположенное в центре сопла 3 и 6 интенсивно поступает вода. Частично вода поступает в верхние сопла 2 и 5. В остальном происходят те же процессы преобразования энергии качки в гидрореактивную энергию, как описано выше.
Кроме того, гидрореактивное устройство демпфирует возмущающие силы, раскачивающие судно, и противодействует этим силам подобно гидрогироскопу, так как внутри и снаружи гидрореактивного устройства образуется множество вихрей, стремящихся сохранить положение своих осей вращения, что способствует стабилизации положения судна на курсе и уменьшению качки судна, особенно в штормовых условиях эксплуатации.
Настоящее изобретение может быть использовано везде, где есть необходимость преобразования энергии волн, вызывающей качку судна, в гидрореактивную энергию, производящую работу по поддержанию скорости судна на переднем ходу в штормовых условиях плавания, в первую очередь в судостроительной промышленности.