УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДНИЩА КОРПУСА СУДНА НА СЖАТОМ ПНЕВМОПОТОКЕ
DEVICE FOR REDUCING HYDRODYNAMIC RESISTANCE OF BOTTOM OF VESSEL ON COMPRESSED PNEUMATIC AIR FLOW

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано при конструировании судов, использующих динамическую воздушную подушку, обладающих 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 при создании транспортных судов (ТСВП) для перемещения по воде, снегу и земле.
Известно судно на воздушной подушке, содержащее корпус, нагнетательную установку с рулевым устройством, ограждение области воздушной подушки с носовым и кормовыми элементами и боковыми скегами, снабженными гибкими ограждениями, прикрепленными к их нижней части, на наружных поверхностях гибких ограждений под углом 30-60° к вертикальной плоскости размещены полосы из эластичного материала, имеющие клиновидную форму, при этом полосы заостренной частью ориентированы по направлению движения судна (Патент RU №2182089, B60V 3/06 от 10.05.2002).
Однако воздушная прослойка на этом судне ограничена устойчивостью не по всей площади днища корпуса судна, а лишь в узком диапазоне только связанное по обоим бортам в виде сбегов, так как борта судна не связаны с формой днища судна без учета характера смоченной поверхности днища судна от начального носового участка до конца кормовой части всего судна в целом, так как зона гидродинамических ударов располагается по всей смоченной поверхности днища, т.е. отсутствует возможность упругой деформации покрытия снизу вторым дном из перфорированного гибкого полотна и образованную при этом полость, сообщенную с источником сжатого воздуха посредством соединения газовоздушной трубки с обратным клапаном.
Таким образом, отсутствует возможность получения изменения механических характеристик покрытия, когда эффективность работы покрытия зависит от переменных внешних и внутренних условий окружающей среды - давления воды и воздуха при обтекании днища корпуса судна, связанное с потоком с воздуховоздушным потоком в движении, и скорости движения судном недостаточны для подъемной и тяговой силы, и не достигают повышения эффективности динамической воздушной подушки и снижения сопротивления воды движению судна на пневмопотоке на воде и твердой поверхности.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, содержащее корпус, нагнетатель воздуха высокого давления в виде импеллера, рулевое устройство, бортовые скеги при этом днище обтекаемого корпуса защищено слоем материала, выполненного со свободно выступающими одним концом отдельными упругими стержнями и/или волокнами, изготовленными из упругих полиэтиленовых материалов в виде щетки, скрепленных жестко с защитным покрытием материала (Патент RU №2641345, B60V 3/06, B60V 1/04, В63В 1/38 от 17. 01.2018).
Такая конструкция позволяет с воздушной прослойкой под днищем обеспечивает снижение сопротивления трения в широком диапазоне скоростей движения судна, и повышения эксплуатационных характеристик судна на сжатом пневмопотоке.
Недостатком данного покрытия является невозможность регулировать гибко-упругих свойств перфорированного материала покрытия и его механических характеристик (например, изгибающих моментов для впуска воды и воздуха из полости предложенного устройства) демпфирующей жидкости или газового потока при изменении параметров движения гибкого тела по отношению к прочному днища корпуса судна, а также повышения прочности покрытия в условиях окружающей среды - плотность воды и сжатого воздуха. Это повысить подъемную силу и движение судна в целом.
Предлагаемое судно на сжатом пневмопотоке имеет один жесткий корпус днища, а второй наружный технологический перфорированный гибкий материал, прилегающего к днищу корпуса судна, расположено на опорной (водной) поверхности между боковыми ограждающими скегами, свободное пространство (полость) между жестким корпусом и перфорированным гибким материалом сообщены посредством газовоздушной трубки с обратным клапаном с переходным закрытым участком, и с соплом импеллера, т.е. для выполнения технологических операций и действия для жесткого днища корпуса.
Особенностью вновь предложенного судна на сжатом пневмопотоке является то, что наружный технический, так называемый корпус, расположенный с внешней стороны над жестким днищем корпуса судна выполнен перфорированным с отверстиями гибкого полотнища, в центре его выполнено прочное малое днище в виде пластиковой пластины высокой прочности, скрепленной жестко с поплавком из материала с удельным весом, меньше удельного веса воды, причем поплавок выполнен, например из пенопласта, размещенного в полости между жестким днищем корпуса судна и перфорированным с отверстиями гибким полотнищем.
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 перфорированного гибкого материала, имеющего упругие изгибающие свойства материала покрытия и механических характеристик демпфирующей воды и газа при движении судна на сжатом пневмопотоке, которые образуют единую замкнутую обтекаемую форму на всей площади днища корпуса и, полость соединена посредством газовоздушной трубки с обратным клапаном с закрытым переходным напорным участком и с соплом 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 на сжатом пневмопотоке, содержащем корпус, нагнетатель воздуха высокого давления в виде импеллера с соплом, рулевое устройство, бортовые скеги, днище обтекаемого корпуса защищено слоем износостойкого защитного материала, согласно изобретения, днище жесткого корпуса судна выполнено дополнительно в виде, перфорированного с отверстиями гибкого полотнища из изностойкого защитного материала для впуска и выпуска газовой смеси которым снабжается полость между жестким днищем корпуса и дополнительно выполненным перфорированным с отверстиями гибким полотнищем в своей подводной части днища корпус, образует замкнутую полость, сообщенную с закрытым напорным участком, соединенного с соплом источника сжатого воздуха, создающим динамическое давление на опорную поверхность воды под днищем с экранным эффектом, при этом наружное перфорированное гибкое полотнище в центре выполнено прочным малым днищем в виде пластиковой пластины высокой прочности, скрепленной жестко с поплавком из материала с удельным с удельным весом, меньшим удельного веса воды, причем поплавок размещен внутри полости между жестким днищем корпуса и перфорированным с отверстиями гибким полотнищем.
Кроме того, высокое давление воздуха в переходном закрытом напорном участке с соплом подсоединяют с возможностью соединения его посредством газовоздушной трубки, снабженной обратным клапаном и с полостью между жестким днищем корпуса и перфорированным с отверстиями гибким полотнищем.
Кроме того, поплавок выполняют из легкого материала, например из пенопласта.
Указанные отличия - что использование перфорированного с отверстиями гибкого полотнища как дополнительного технологического днища, покрывающего свободно открытое жесткое днище корпуса судна и скрепленного жестко только по периметру его, например металлическими пластинами, создает свободную замкнутую полость под жестким днищем и делает возможность подавать газодинамическую струю воздуха в замкнутую полость одновременно в режиме движения скоростного судна на пневмопотоке (соединение газовоздушной трубки выполнено автоматически закрывающим с обратным клапаном). Таким образом, особенности передвижения судна начинается с работы импеллера, который создает давление воздуха и начинает вытеснять сначала воду из пространства полости, дальше происходит вход и выход струи воздуха высокого давления через перфорированное с отверстиями гибкого полотнища в сторону опорной поверхности воды. Выход воздуха снаружи гибкого полотнища (технологического корпуса) создает появлением мелких пузырей снаружи гибкого полотнища, которые создают возникновение воздушной прослойки в виде смазки, существенно снижают гидродинамическое сопротивление всего судна, а, следовательно, при одинаковой мощности движителя (импеллера), увеличить и скорость перемещения до крейсерской. Поскольку подача воздуха снаружи перфорированного с отверстиями гибкого полотнища будет сопровождаться согласно закона Архимеда некоторым «проваливанием» судна в воду, то подачу воздуха в полость под жесткий корпус судна автоматизирован в соответствии со снижением подъемной силы или увеличением подъемной силы и тяги судна в целом, т.е. работа устройства заключается в отборе сжатого воздуха из переходного закрытого напорного участка с соплом импеллера и, подачу струи воздуха в замкнутую полость ниже жесткого днища корпуса по всему его свободному периметру, выполненному определенной формы, и повторяющей форму днища, закрепленной концами по периметру перфорированной с отверстиями гибким полотнищем, полость, которая соединена посредством газовоздушной трубки, снабженной обратным клапаном, который не позволяет воде поступать в газовоздушную трубку в сторону закрытого напорного участка с соплом импеллера при отключении из работы (остановки движителя высокого давления, возникающей от гидродинамической силы воды снизу при стоянке судна и при начале (стартового) движения судна. Что касается поплавка, то он создает поддержание и ограничение от прижатия средней части гибкого полотнища к жесткому днищу корпуса, а значит и от прилипания его, а короткая пластиковая пластина (днища) высокой прочности скрепленной с поплавком, одновременно служит и жесткой обтекающей скользящей опорной поверхностью в воде с внешней (наружной) стороны гибкого полотнища со стороны набегающего газоводяного потока, т.е. гидродинамической среды.
Такая конструкция устройства уменьшает сопротивление движения судна, особенно в условиях волнения, а также уменьшения рыскания судна и повышения его устойчивости по курсу. Оно имеет практическую реализацию, просто в исполнении. В целом повышаются сроки эксплуатации, и обуславливает усовершенствование с целью эффективности динамической воздушной подушки, а также с повышенными коростными возможностями.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявляемому изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии «новизна».
Реализация отличительных признаков изобретения обуславливает также появление важных свойств объекта: происходит сопровождение появление мелких пузырей снаружи технологического гибкого полотнища (корпуса), которые существенно снижают гидродинамическое сопротивление всего судна, что увеличивает скорость движении судна. Одновременно включая часть отбора сжатого воздуха из сопла импеллера в заданную замкнутую полость над жестким днищем корпуса, выполненному определенной формы, а скрепленное по периметру своему перфорированное с отверстиями гибкое полотнище повторяет форму жесткого днища, замкнутая полость, которая соединена посредством газовоздушной трубки с обратным клапаном. Судно скользит на пневмопотоке соответствующего увеличения и подъемной силы, при этом отсутствует сильное «проваливания» в толщу воды.
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».
На фиг. 1 схематически изображено сечение судна; на фиг. 2 схематически изображено судно, лежащее вверх днищем с выполнением перфорированного с отверстиями гибкого днища в аксонометрии; на фиг. 3 показано сечение А-А; на фиг. 4 показан вид на кормовую часть судна с рулем.
Предлагаемое изобретение - устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на пневмопотоке содержит корпус 1, импеллер 2 в кожухе и расположенного в носовой части судна, где движение происходит в закрытом пространстве, состоящий из статера и ротора, лопатки которого выполнены криволинейными и повернутыми в вертикальной плоскости относительно друг к другу на заданный угол в противоположных направлениях для выравнивания и забора потока воздуха в корпусе крепления, переходной закрытый участок 3, которого имеет одинаковую ширину на выходе в закрытый сверху и снизу пневмоканала 4 с возможностью образования внутри него воздушного напорного потока. При этом импеллер 2 закреплен под углом 20-30° для забора воздушного атмосферного потока под днище судна с фиксированием в заданном угловом положении в носовой части судна. Таким образом, замкнутое пространство пневмоканала 4 переходит дальше в открытый канал 5 днища, ограниченный продолжением боковыми скегами 6. Плоское жесткое днище корпуса судна в поперечном сечении выполнено в форме перевернутого полукруга с ограниченными боковыми скегами, которые с внешней стороны выполнены углом с уменьшающимся основанием в сторону касания опорной поверхности воды, образуют один прямоточный канал 5, совпадающий с направлением пневмоканала 4, переходного участка 3 с импеллером 2, которые дают своим положением возможность свободного и сжатого прохода большей части воздушного потока воздуха и выхода затем его в виде газоводяного потока сзади кормовой части судна между двумя рулевыми устройствами 7 и 8 для обеспечения управляемости судном на сжатом пневмопотоке. Рулевые устройства 7 и 8 со стороны концов скегов содержат щитки 9 и 10, ограничивающих общий канал 11 выхода общего воздуха, в результате чего также образуется один общий газоводяной поток симметрично по отношению продольной оси канала 5 с закрытым каналом 4. Ось вращения рулей 7 и 8 соединены сверху на палубе с регулируемыми тягами 12 и 13 и соединены в одном узле 14 для соединения с общей тягой управляемой экипажем (аналогично рулю автомобиля).
В вертикальном положении щитки 9 и 10 целесообразно выполнять с гидроцилиндрами (не показано), чтобы обеспечить их общий свободный вертикальный ход при встрече с препятствиями в воде, по льду и на земле, Кроме того, желательно нижние концы щитков 9 и 10 выполнять не ниже концов скегов.
При транспортировке судна на автотранспорте могут щитки складываться, т.е. убраны таким образом, чтобы устранить их возможность от поломок (не показано).
Форма конструкции рулевых устройств 7 и 8, положение щитков 9 и 10, соответственно, одинаковой конструкции позволяет обеспечить устойчивые повороты судна при повороте щитков на угол 20…30° относительно вертикальных их осей с креплением в кормовой части судна, с возможностью при повороте использовать, как воздух, так и толщу воду.
В конце кормовой части корпуса целесообразно закрепить горизонтальный потоконаправляющий элемент, выполненный в виде П-образного козырька 15 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, и отсутствует залив палубы сзади кормы.
При работе импеллера 2 засасывание воздуха из окружающей среды в переходной закрытый участок 3 происходит через решетку (не показано).
Защитное покрытие днища 16 жесткого корпуса после пневмоканала 4 имеет второе наружное технологическое днище 17, закрепленное и закрывающее часть по периметру открытого жесткого днища 16 в виде закрепленного замкнутого контура из перфорированного с отверстиями 18 гибкого полотнища 17 из износостойкого защитного материала для впуска и заполнения замкнутого контура (полости) газовой смеси и выпуска газовой смеси через отверстия 18 в сторону опорной поверхности воды, т.е. воздух, поступает из полости замкнутого контура (пространства) в районе между расположением пневмоканала 4 и конечностью окончания кормы судна, т.е. до начала рулевых устройства 7 и 8.
В районе переходного закрытого участка 3 газовоздушная трубка 19 проходит через пневмоканал 4 и переходит в замкнутую полость, выполненную между дополнительным перфорированным с отверстиями 18 гибкого полотнища 17 и жестким днищем 16 корпуса судна. Газовоздушная трубка 19 содержит обратный клапан 20. Перфорированное с отверстиями гибкое полотнище 17 закреплено по периметру днища 16, как наружное технологическое днище 17 между боковыми скегами 6 и выше их нижней кромки и опорной поверхности воды, т.е. днище 17 имеет смоченную поверхность, и, при отсутствии воздуха внутри замкнутой полсти (контура), свободное пространство заполняется водой. В центре наружного технологического днища 17 (гибкого полотнища) выполнено малое прочное днище 21 в виде пластиковой пластины высокой прочности, скрепленной жестко с поплавком 22 из материала с удельным весом, меньшим удельного веса воды, причем поплавок размещен внутри полости между жестким днищем 16 и гибким днищем 17 с отверстиями 18. Целесообразно поплавок 22 выполнять, например, из пенопласта, который одновременно служит упором о жесткое днище 16 корпуса судна, что предохраняет от прилипания в целом гибкого полотна 17 к жесткому днищу 16 при отсутствии воздуха в замкнутой полости и гидростатического давления воды снизу (со стороны опорной поверхности воды).
Таким образом, переходной участок 3 и сопла импеллера 2 направляет под давлением часть воздушного потока в газовоздушную трубку 19 с обратным кланом 20, открывает его с возможностью соединения с замкнутой полостью между жестким днищем 16 корпуса и гибким технологическим днищем 17 (полотнища). Основной воздушный поток от импеллера 2 направляется под давлением ниже перфорированного с отверстиями 18 гибкого полотнища 17 по длине и ширине в сторону кормы между скегами, т.е. работа зависит от самого импеллера 2 (движителя) на использовании пневмопотока (избыточного давления), собственно и затем отжима вниз технологического днища 17 в сторону от жесткого днища 16 корпуса и подачи воздуха в отверстия 18.
Участок гибкого полотнища 17 с отверстиями 18 имеет продольную и поперечную прогиб. Форма этого участка днища (прогиба) подбираются для каждого конкретного судна экспериментально, так чтобы обеспечить плавное (без образования брызговых струй) замыкание полости днища 17, а это в свою очередь будет влиять и на поперечную остойчивость судна в движении. Кроме того, назначение в средней части гибкого полотнища 17 (днища) в виде малого днища из закрепленной пластиковой пластины 21 и скрепленной жестко с поплавком 22 из материала с удельным весом, меньшим удельного веса воды, при сохранении выпуклой формы днища 17 и не допустить также большую деформацию поверхности воздушной подушки струями воздуха, выходящими из отверстий 18, подаваемых через газовоздушную трубку 19 с обратным клапаном 20. Весь выходящий воздух из отверстий 18 будет формироваться между боковыми скегами 6 и за счет большей части поступающего воздуха от импеллера в открытый канал 5 будут, уносится потоком водновоздушной смеси в сторону кормовой части судна с рулевыми устройствами 7 и 8 в атмосферу. Число и размеры в перфорации с отверстиями 18 днища 17, через которые проводится сжатый воздух, выбираются таким образом, чтобы обеспечить равномерное растекание воздуха по ширине и длине открытого между скегами 6 наружного днища в сторону кормы. Это снижает потери энергии, обусловленные сопротивлениями отверстий. Судно фактически создает воздушную прослойку из газового потока по всему периметру открытого участка днища, ограниченного боковыми скегами, что также увеличивает и подъемную силу судна за счет давления на опорную поверхность воды и большую реактивную тягу.
Устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса на сжатом пневмопотоке работает следующим образом.
При отсутствии работы импеллера 2 вода через отверстия 18 заполняет (смачивает) замкнутую полость между жестким днищем 16 корпуса и гибким наружным технологическим корпусом 17 в виде перфорированного полотнища с отверстиями 18. Охватывающего свободную часть жесткого днища 16. На случай поступление воды в газовоздушную трубку 19, установленный в ней обратный клапан 20 перекроет трубку 19. Особенности передвижения судна на сжатом пневмопотоке начинаются с работы импеллера 2, который подает воздушную смесь высокого давления через сопло в переходной закрытый напорный участок 3 и закрытый пневмоканал 4, при работе импеллера 2 которого воздушный поток в сторону переходного участка 3, соответственно, возникает давление сжатого воздуха, направляющего в газовоздушную трубку 19 с обратным клапаном 20, соединенную с замкнутой полостью между жестким днищем 16 корпуса и гибким технологическим днищем 17 перфорированного с отверстиями 18 полотнища.
Основная часть объема подачи воздуха с высоким давлением от импеллера 2 (движителя) создает горизонтальную тягу через пневмоканал 5, размещенный между боковыми скегами 6, поток воздуха при этом создает давление и направляется далее в сторону кормовой части судна, судно начинает ускоренное движение. Процесс движения судна на сжатом пневмопотоке также связан с включением в работу, сжатый воздух, который поступает через газовоздушную трубку 19, открывает обратный клапан 20 и начинает вытеснять сначала воду из пространства (полости), дальше заполняет воздухом полость, и воздух начинает, выходит из перфорированного с отверстиями 18 гибкого полотнища 17 в виде появления мелких пузырей с внешней стороны днища 17, воздух пузырей создает эффект «воздушной смазки» и некоторую подъемную силу и, которые могут существенно снизить гидродинамическое сопротивление самого судна, а следовательно, при одинаковых параметрах импеллера (движителя) увеличит скорости перемещения судна. Поскольку подача воздуха снаружи гибкого днища 17 будет сопровождаться согласно закону Архимеда некоторым «проваливанием» судна в воду, то подачу воздуха следует рассчитывать со снижением подъемной силы и сохранить «воздушную смазку», т.е. для соответствующего увеличения подъемной силы и не допускать больших прогибов (деформаций) поверхности гибкого перфорированного с отверстиями полотнища 17. В результате чего воздух, который создает эффект «воздушной смазки» в рабочем положении движения судна создает общую тягу по всей длине открытого днища и ширине между скегами 6. Регулировка величины давления воздуха при заполнении полости воздухом между жестким днищем 16 и гибким днищем 17, начиная от пневмоканала 4 закрытого участка. При этом трубка 19 с обратным клапаном 20, и расположенная в переходном напорном участке 3, забирает воздух с помощью газовоздушной трубки 19 и может регулировать подачу воздуха с помощью крана (не показан).
Продольные бортовые скеги 6, кроме основной функции создания полости «воздушной подушки», также выполняют роль брызгоотражателей.
Судно на сжатом пневмопотоке позволяет свободно передвигаться по снегу любой плотности, льду, отмелям и перекатам, не снижая скорости, переходя из воды на лед.
Таким образом, в результате с внешней стороны подводной части корпуса создается воздушная смазка. Количество и местоположений отверстий в гибком перфорированном полотнище, выпускающих воздух, выбирается так, чтобы вся открытая часть днища корпуса была ими охвачена. В этом случае создаются лучшие условия по всему периметру днища судна для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна между боковыми скегами, даже в момент воздействия волны, т.е. смягчает воздействие волны, создает воздушную смазку при движении судна.
Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения и достаточны для его практической реализации при разработке и изготовлению судна на сжатом пневмопотоке.