СУДНО С ЧАСТИЧНОЙ МАССОЙ ГЛИССИРОВАНИЯ
VESSEL WITH PARTIAL GLIDING INERTIA

Изобретение относится к области судостроения, к глиссирующим судам иможет использоваться как пассажирское судно при скоростях движения около и значительно больше 100 км/ч.
Известны суда, передвигающиеся эффективно с высокой скоростью, например экранопланы («Самостабилизирующий экраноплан», патент РФ 2368522 от 27.09.2009 авторов Суржин В.В и др.). Недостатки: малая мореходность из-за небольшого зазора между крылом и водной поверхностью. При взлете требуют существенного повышения тяги. Вес остановленных на марше дополнительных двигателей и крыльев добавляет дополнительную массу (как и вес топлива для дополнительных масс), которая снижает эффективность их применения, габариты крыльев мешают парковке. Двигатели (движители) располагаются высоко от поверхности воды, чтобы избежать контакта со струями воды. При этом вредный возникает момент от силы тяги относительно высоты центра тяжести судна, прижимающий носовые части судна к водной поверхности. Для улучшения защиты от брызг воды применяются двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД), однако, при этом из-за низких скоростей движения падает их пропульсивный КПД, что приводит к снижению преимущества экранных крыльев в коэффициенте гидродинамического качества.
Известно «глиссирующее судно», патент РФ 2131373 от 10.06.1999 авторов Банников Ю.М. и др., с более мореходное глиссирующее с обводами V судно, снабженное водометным движителем, поддерживающие при помощи вспомогательных средств управления оптимальный положительный дифферент на высоких скоростях движения. Преимуществом по сравнению с аналогом является защищенность двигателя, размещенного в кормовом отсеке, от брызг воды. Использование водометного турбонасоса с входным устройством в области повышенного давления за кормовым интерцептором, которое равно полному давлению торможения набегающего потока, несколько отодвигает границу устойчивости по кавитации на более высокие скорости движения, увеличивая гидравлическое сопротивление судна. Недостатками прототипа является увеличение гидравлических потерь двухреданного корпуса на трение, и удар не позволяет значениям коэффициента гидродинамического качества достигать высоких оптимальных значений глиссирующих судов. На транце из-за отрыва потока воздуха давление несколько понижено (эффект донного давления), что приводит к росту сопротивления движению судна на высокой скорости.
Известно классическое судно на двух подводных крыльях, описанное в патенте РФ 2094291 автора Максимова В.Я. от 2705.1997. К недостаткам относится следующее. Судно имеет низкую величину гидродинамического качества, обусловленную гидравлическими потерями валопровода, углом наклона последнего и скошенным потоком воды, поступающим на лопасти винта. Валопровод усложняет конструкцию судна при высоких стойках подводных крыльев, которые требуются для обеспечения мореходности судна. Расположение топливных емкостей строго в центре тяжести судна не решает проблемы пожароопасности судна при работе двигателя на природном газе. Наличие двигателя внутри судна порождает шум и вибрацию.
За прототип предлагаемого судна с частичной массой глиссирования принято судно на подводных крыльях, приведенное в патенте РФ 2434778 С1, включающее в себя воздушные крылья, четыре движителя -- на базе турбореактивных двухконтурных двигателей(ТРДД) (2 шт.) и водометных турбонасосов с приводом от турбовинтовых двигателей (ТВД), смонтированных в специальных глиссирующих стойках в носу и центре судна, прикрепленных к воздушным крыльям. Двигатели и движители уравновешивают друг к другу относительно центра тяжести. Толстые воздушные крылья могут одновременно использоваться как брызгоотбойные перемычки и топливные баки, а глиссирующие стойки - для крепления системы подводных крыльев. Вентиляция торцов данных стоек повысит их донное давление и добавит тяги. Недостатки. Выбор противоречивых схем движителей, авиационные ТРДД для низких скоростей передвижения будут переразмерены и низкоэффективны. Однако повысить скорость невозможно из-за кавитации насосов водометов. Система центральных крыльев воспринимает более 90% веса всего устройства, поэтому в условиях эксплуатации в морских условиях потребуется сложная система управления для повышения устойчивости движения. Вертикальные пластины на концах воздушных крыльев, как и корпус судна в месте его соединения с короткими крыльями затруднят работу крыльев при боковом ветре и поворотах, а сами воздушные крылья мало эффективны на скоростях движения судов на подводных крыльях. Водометы не снабжены торцевыми водозаборниками, поэтому будут иметь низкие значения пределов кавитации и КПД. Глубоко погруженные стойки водомета и крыльев, включающие в себя глиссирующие поверхности, могут иметь гидравлическое сопротивление, соизмеримое с гидропотерями всего устройства. С учетом всего: эффективность судна может уступать судам на подводных крыльях с гидравлическими винтами.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая группа изобретений, является снижение гидравлического сопротивления и повышение коэффициента гидродинамического качества глиссирующих судов, а также расширение условий эксплуатации.
Технический результат (вариант 1) достигается тем, что судно состоит из трех модулей, включающих основной и топливный корпуса, каждый на подводном крыле, и буксир с глиссирующей площадкой, основной корпус с топливным корпусом, как и топливный корпус с глиссирующим буксиром, соединены с возможностью вертикального перемещения, входное и выходное отверстия водометного турбонасоса совпадают при виде спереди, а его выходной патрубок в проекции на вертикальную плоскость наклонен к глиссирующей площадке под углом 45 градусов, турбореактивный двигатель расположен в верхней части транцевой области и снабжен свободной турбиной, механически связанной с водометным турбонасосом.
Технический результат (вариант 2) достигается тем, что судно состоит из двух модулей, включающих основной корпус с глиссирующей площадкой и воздушное крыло, выполненное с возможностью горизонтального перемещения, при этом судно снабжено устройством механизации крыла, турбореактивный двигатель расположен в верхней части транцевой области и снабжен свободной турбиной, механически связанной с вентилятором второй выход реверсивного устройства соединен с соплами, оси которых наклонены к оси судна.
Устройство механизации крыла включает расположенный в носовой части судна барабан с приводом и связанными с ним системой пар блоков, две пары которых на носовой раме связаны тросами с двумя парами шарнирного крепления тросов на нижней плоскости крыла и механизмы фиксации, освобождения крыла в крайних положениях.
Судно снабжено входным устройством из двух диффузоров, второй диффузор лопаточно-поворотного типа взаимодействует с соединенным со входом в турбореактивный двигатель внутренним отсеком, на стенках которого закреплена труба подачи воздуха к вентилятору с вырезом в нижней части, на ее выходе установлена выравнивающая расход перегородка, за вентилятором установлено устройство отклонения вектора тяги, в нижней части транца выполнено отверстие.
На фиг. 1 (вариант 1) представлено судно с частичной массой
глиссирования на подводных крыльях.
На фиг. 2 (вариант 2) представлено судно с частичной массой глиссирования и воздушным крылом.
На фиг. 3 (вариант 2, фиг. 1) представлен двигательно-движительный комплекс судна с частичной массой глиссирования и воздушным крылом.
Предлагаемое судно с частичной массой глиссирования (вариант 1) включает в себя основной корпус 1 на подводных крыльях 2 и буксир 3, снабженный глиссирующей площадкой 4, водометным турбонасосом 5 с приводом от турбореактивного двигателя со свободной турбиной (ТРД СТ) 6. Входное 7 и выходное сечения 8 водометного турбонасоса совпадают при виде спереди, а дополнительная площадь по отношению к его соплу используется для установки створок отклонения водяного потока 9. Буксир 3 крепится подвижно к топливному корпусу 10 пластинами 11 с установкой на заданный угол атаки i глиссирующей площадки 4 (на номинальном режиме эксплуатации). Топливный корпус 10 снабжен подводными крыльями 12, внутри его расположены емкости природного газа 13. Топливный корпус 10 и буксир 3 могут перемещаться вертикально относительно основного корпуса 1 и топливного корпуса 10 при помощи роликов 14 и 15 соответственно. Топливный корпус 10 снабжен карманом 16, в который встраивается буксир в стояночном положении. Стрелками показаны направления движения потоков воды, газа и воздуха.
Предлагаемое устройство (вариант 2, фиг. 2) включает в себя основной корпус 1, воздушное крыло в виде полого бака с топливом 17, закрепленного на четырех стойках 18. Центр давления крыла расположен на центре тяжести судна. Две пары тросов 19 (каждая перемещается в одной плоскости), закрепленные с одного конца на крыле, с другого, через ролики на корпусе в носовой части. Все тросы могут быть выведены под палубой посредством системы шкивов 20 на раме 21 к барабану 22. Устройство управления отклонением вектора тяги 9 расположено на выходе двигательно-движительного комплекса 23, который размещен в транцевой области основного корпуса. Механизмы фиксации 24, освобождения крыла в крайних положениях взаимодействуют с носовой частью судна.
Транцевая область, в которой расположен двигательно-движительный комплекс 23, (фиг. 3) включает в себя основной корпус 1 с транцем 25 и двумя внутренними перегородками 26, 27, ограничивающими внутренний водоотделительный отсек А. Последний снабжен входным устройством 28, включающим в себя диффузоры 29, 30 с отсекателем 31 пограничного слоя корпуса. С транцем 25 взаимодействует вентилятор 32, с валом которого при помощи вала 33 соединена свободная турбина 34 турбореактивного двигателя (ТРД) 35. Между ТРД и свободной турбиной расположено реверсивное устройство 36 с соплами 37, наклоненными к оси судна. К внутренним перегородкам 26, 27 крепится труба 38 с вырезом 39, на выходе трубы 38 в отсеке В для выравнивания расхода воздуха на его входе установлена перегородка 40. Выход трубы 38 взаимодействует с отсеком В, ограниченным передней стенкой 41. В нижней части транца 25выполнено небольшое отверстие 42. Стрелки показывают направление движения воздуха. Стрелки на выходе из ТРД показывают направление продуктов выхлопа ТРД и вентилятора.
Судно с частичной массой глиссирования, представленное на фиг. 1, работает следующим образом. Равномерный расход воды поступает во входное сечение 7 водометного турбонасоса 5, приводимый в действие ТРД СТ6, и выбрасывается через сопло выходного сечения 8, создавая тягу. Через систему роликов 14, 15 сила тяги толкает основной корпус 1 на подводном крыле 2 вперед. На вход водометного турбонасоса 5 поступает полное давление внешнего потока, что с возможностью увеличения диаметра водометного турбонасоса повышает кавитационный предел по скорости хода судна, а благодаря совпадению входного и выходного отверстий внешнее сопротивление водометного турбонасоса практически отсутствует. Так как поперечные сечения глиссирующего модуля 3 в основном взаимодействуют с воздухом (кроме вытянутой вдоль судна прямоугольной глиссирующей плошадки), и его воздушным сопротивлением можно пренебречь для скоростей в районе скоростей движения 100 км/ч, то диаметральные габариты водометного турбонасоса можно увеличивать (уменьшая его обороты), добиваясь значения КПД более 80%. При этом может увеличиваться диффузорность входного устройства турбонасоса, для чего имеются основания: прямоугольная эпюра скоростей на входе и один небольшой поворот потока в решетке профилей. Одновременно повышается устойчивость по кавитации водометного турбонасоса, а благодаря совпадению входного и выходного отверстий внешнее сопротивление его практически отсутствует.
При разгоне судна корпуса (каждый на своем крыле) поднимаются над поверхностью воды, при этом буксир с постоянным и оптимальным углом атаки i глиссирующей поверхности остается на поверхности воды, перемещаясь вниз с помощью роликов 15. Изменение веса топлива приводит к изменению глубины погружения крыла (системы крыльев) 12, соответственно изменяется площадь рабочей поверхности крыла с сохранением оптимального угла атаки i. Свобода перемещений модулей 1 и 10 относительно друг друга не мешает парировать небольшие отклонения положения центров массы корпусов и давления крыльев отклонениями вектора тяги водомета. Так как почти вся поверхность буксира взаимодействует с воздухом, то гидравлическое сопротивление определяется находящейся в воде глиссирующей поверхностью буксира 3 и может иметь такую же величину, как гидравлическое сопротивление прототипа (дейдвуда или валопровода классического судна на подводных крыльях), однако, при этом создается подъемная сила. Примерно 1/10 часть массы судна (масса буксира 3) имеет гидродинамическое качество К=6, а 9/10 часть массы судна (корпуса 1,10) - К=14…15. При К прототипа 10…11 (из-за гидравлического сопротивления стоек). Привод на базе ТРД СТ имеет компактные входные и выходные устройства, что трудно обеспечить у прототипа для перехода на более мощные двигатели внутри корпуса судна. Двигатель и пожароопасное топливо надежно отделены от салона, в котором пассажиры не испытывают неудобства от шума и вибрации. Быстрота и безопасность заправки, например, достигается отделением топлива корпуса 10 от модулей 1 и 3 переносом с помощью крана его в специальный бокс для заправки на причале, установкой другого заправленного модуля 10 на модуль 1 и соединением с модулем 3.
Таким образом, предлагается безопасная высокоэффективная трехмодульная конструкция судна с частичной массой глиссирования на природном газе, которая улучшает эксплуатационные характеристики (осмотры водомета и крыльев, быструю смену топливного модуля вместо заправки топлива).
к
к
Судно с частичной массой глиссирования, представленное на фиг. 2, работает следующим образом. Вначале движения судно разгоняется, например, до 100 км/ч, затем воздушное крыло 17 отрывается от стоек 18. При движении с разгоном и разной скоростью воздушное крыло плавно изменяет положение вдоль оси судна (поворотом тросов 19 на больший угол α), сохраняя постоянные угол атаки и исходный положительный дифферент судна в конечном положении (сохранение центров тяжести и давлений судна). Конечное значение угла α тросов близко к положению, определяемое из уравнения крыла без массы:
к
Tanα=Су/Сх, где:
Су - осредненный коэффициент подъемной силы крыльев,
Сх - осредненный коэффициент гидравлического сопротивления крыльев.
к
Так как воздушное крыло имеет массу, то после отрыва угол положения тросов α будет плавно увеличиваться при изменении скорости движения судна. После поворота тросов 19 в конечное положение происходит наматывание их на барабан 22 и фиксация воздушного крыла. Например, для вращения барабана используется накопительная энергия сжатого воздуха от поршневого компрессора (отбор мощности от работающего привода). Перед остановом судна воздушное крыло проходит все вышерассмотренные стадии переустановки в обратном направлении. При движении с возмущающими факторами устойчивость движения достигается как корпусом с неизменным и достаточно далеко расположенным от транца судна центром тяжести судна, так и весом крыла, повышающего демпфирующую массу носовой части судна. Мореходность предлагаемого судна определяется его длиной и высотой подъема носовых обводов над поверхностью воды.
Возможен другой вариант перекладки крыла сразу после его отрыва, при этом его укладка в новое положение протекает на пониженных по сравнению с вариантом 1 скоростях движения судна с последующим разгоном до расчетной скорости. При этом поддержание постоянного дифферента между начальным и конечным положением крыла возлагается на устройство управления вектором тяги 9.
кр
глиссир
кр
Предлагаемое устройство (вариант 2) не содержит кавитирующих звеньев, таких как подводные крылья. Поэтому скорости движения предлагаемого судна могут быть в несколько раз выше прототипа, который к тому же содержит звенья повышенного гидравлического сопротивления, например глубоко погруженные стойки водомета и крыла. Воздушные крылья на скоростях движения подводных крыльев малоэффективны, так как их подъемная сила немного больше их веса. Если сравнивать предлагаемое устройство по скорости и эффективности с дозвуковой авиацией (которой прототип сильно уступает по эффективности), то можно выявить большие преимущества. Судно снабжено крылом небольших габаритов, площадь которого почти на порядок меньше крыльев самолета, перемещающего с одинаковой скоростью. Отношение данных площадей равно произведению отношений давлений на земле и высоте, коэффициентов гидродинамического качества сравниваемых профилей, массы уравновешенного крылом части судна и всего судна с воздушным крылом. Вес воздушного крыла будет меньше, чем на порядок веса всего судна с воздушным крылом. Квадратный корень последнего числа даст достаточную величину отношения скоростей номинальной и отрыва воздушного крыла судна, а при постоянстве дифферента судна и угла атаки крыла создадутся условия для применения высоко эффективного аэродинамического профиля, например, планерного типа с К=30…50. Ширина глиссирующей площадки, расположенной в виде полосы по всей длине судна для поддержания оптимального дифферента судна, рассчитывается на момент отрыва крыла. Она будет на порядок больше ширины, соответствующей номинальной скорости без воздушного крыла. Из-за большой ширины площадки глиссирования достигается достаточная поперечная устойчивость. При этом возрастет гидродинамическое качество К, которое будет более 7. Кроме того, крылу не потребуются элероны, что при отсутствии средств механизации крыльев, обеспечивающих взлетный (посадочный режим) в авиации, позволит значительно поднять величину гидродинамического качества крыла К. Аэродинамическое сопротивление корпусов предлагаемого судна и самолета при движении с одинаковой скоростью в первом приближении можно принять одинаковым. Погруженная в воду глиссирующая площадка корпуса обеспечивает высокий коэффициент гидродинамического качества (не менее 7), который для всего корпуса судна будет дополнительно повышен высоким (более 30) коэффициентом гидродинамического качества крыла, что с учетом уменьшенных масс воздушных крыльев (топлива) достаточно для движения с эффективностью самолетов.
Таким образом, обеспечивается более высокая скорость и мореходность по сравнению с прототипом. При этом предлагаемое судно с частичной массой глиссирования более эффективно по сравнению с прототипом.
Двигательно-движительный комплекс приведен на фиг. 3. После входного устройства 29 поток воздуха с высоким коэффициентом восстановления кинетической энергии внешнего скоростного потока поступает в внутренний отсек А. Во внутреннем отсеке А поток воздуха из входного устройства обтекает трубу, отделяет воду и поступает на входы ТРД 35 непосредственно и на вентилятора 32 через вырез 39 в трубе 38, выравнивающую расходы струй перегородку 40 и внутренний отсек Б. После поджатия в ТРД 35 продукты сгорания поступают в реверсивное устройство 36, свободную турбину 34 и выбрасываются в атмосферу. Лопатки вентилятора разгоняют воздух на большую величину, чем скорость поступающего потока, создавая тягу. На запуске лопатки вентилятора могут касаться воды внутри отсека Б, поэтому при помощи реверсивного устройства продукты сгорания направляются в сопла 37. Создается тяга, судно разгоняется и вода уходит с нераскрученных лопастей вентилятора через небольшое отверстие 42 в транце. После этого реверсивное устройство 36 перекладывается на основной режим работы и тяга производится вращением вентилятора 32. Отклонение вектора тяги производится при помощи устройства 9.
По сравнению с авиационными двухконтурными двигателями (ТРДД) прототипа, спроектированными для высоких почти звуковых скоростей движения, повышается степень двухконтурности двигателя и соответственно достигается полная приспособленность к скоростям движения объекта с ростом его КПД. Наличие редуктора позволит улучшить согласование силовых агрегатов - вентилятора 31 и свободной турбины 32. По сравнению с другими турбовинтовыми двигателями (ТВД) прототипа: вход в ТРД не загроможден редуктором и корневыми сечениями лопастей, как в ТВД, что позволит повысить КПД термодинамического цикла данного двигателя, увеличив степень повышения давления компрессора и соответственно температуру перед турбиной ТВД. Поэтому влияющие на уменьшение КПД двигательно-движущего комплекса гидравлические потери в воздухозаборнике будут более, чем скомпенсированными. Выпускаемая движителем струя газа способствует возрастанию донного давления на транце судна, повышению тяги и сохранению постоянного сечения основного корпуса в транцевой области.
Таким образом, двигательно-движительный комплекс достаточно эффективен, надежно закрыт от взаимодействия со струями воды и обеспечивает расширение условий эксплуатации.