СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ СУДНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HYDRODYNAMIC VESSEL MOVEMENT RESISTANCE REDUCTION AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к судостроению и касается вопросов улучшения гидродинамических качеств транспортных судов за счет организации под днищем искусственных газовых каверн, частично изолирующих днище от прямого контакта с водой и обеспечивающих «газовую смазку» с помощью принудительной подачи атмосферного воздуха или выхлопных газов из основной двигательной установки.
Одна из важнейших проблем, стоящих на пути эффективного применения каверны для снижения гидродинамического сопротивления, - наличие не покрытых газовой каверной участков днища, расположенных в районе движителя (водозаборник водометного движителя или обводы трансмиссии гребного винта). Вследствие этого остается замытой водой значительная площадь днища, а возможности газовой каверны для снижения буксировочного сопротивления используются недостаточно полно.
Предшествующий уровень техники
Известно водоизмещающее судно с воздушными кавернами на днище, предложенное в патенте RU 2461489, В63В 1/38 (2006.01), опубл. 20.03.2012. Изобретение относится к судостроению и касается конструирования водоизмещающего судна с воздушными кавернами на днище. Водоизмещающее судно с воздушными кавернами на днище оборудовано устройством для создания под днищем искусственных каверн, включающим систему кавернообразования, состоящую из следующих друг за другом по длине судна расположенных на днище поперечных насадков в виде наклонных пластин и побортно установленных на днище продольных ограничительных килей. Судно имеет также источник принудительной подачи по трубопроводам воздуха под днище судна для создания и поддержания образованных за поперечными насадками каверн. Система кавернообразования выполнена убирающейся, для чего поперечные насадки и продольные кили выполнены с возможностью их раскрытия и складывания с прилеганием к днищу путем их поворота вокруг своих продольных осей, расположенных на днище судна.
Недостаток изобретения заключается в сложности конструкции системы кавернообразования, что снижает ее надежность.
Известно судно на воздушной каверне с водометным движителем, предложенное в патенте RU 2381131, В63В 1/38, В63Н 11/08 (2006.01), опубл. 10.02.2010. Изобретение относится к судостроению и касается создания скоростных глиссирующих судов, эксплуатируемых в мелководных районах. Скоростное судно с воздушной каверной на днище для мелководных акваторий состоит из корпуса с воздушной каверной на днище, силовой установки и движительной установки в виде двух водометов с рулевым и реверсивным устройствами. С целью обеспечения эксплуатации на полных скоростях движения в мелководных акваториях с высокой надежностью и без нарушения экологических условий водоемов каждый водомет снабжен водоводом с увеличенным водозаборником, состоящим из двух участков (приемных сечений), один из которых располагается на уширенном участке скега (ограждении) каверны, а второй - на бортовой части судна. С целью уменьшения силы присасывания корпуса ко дну водоемов бортовое приемное сечение может быть сделано в 2-3 раза больше днищевого. Для предотвращения попадания воздуха извне в водомет верхняя кромка бортового приемного сечения водозаборника может размещаться ниже ватерлинии на 250-300 мм на крейсерской скорости.
Недостаток изобретения заключается в неполном использовании преимуществ газовой каверны для уменьшения буксировочного сопротивления судна из-за наличия участков днища, замытого в местах установки водометных движителей.
Известно водоизмещающее судно с воздушной каверной на днище с дифферентно-креновой системой RU 2601997, В63В 1/38, В63Н 11/08 (2006.01), опубл. 10.02.2010. Изобретение относится к области судостроения и касается морских крупнотоннажных транспортных судов с искусственной каверной на днище с дифферентно-креновой системой, предназначенных для эксплуатации в ледовых полях, в том числе в условиях малых глубин Балтийского моря и Арктического шельфа. Предложенное судно имеет в днище выемку для образования единой воздушной каверны с волновым профилем, начинающуюся с редана в носовой части и ограниченную скегами по бортам и кормовым сводом в виде наклонной пластины. Полость выемки сообщена с системой подачи воздуха и с системой стравливания воздуха из нее. Внутри выемки размещены продольные кили, разделяющие выемку на продольные секции, и поперечные козырьки в виде наклонных пластин, следующих друг за другом вниз по потоку. Системы стравливания и подачи воздуха в продольных секциях выемки, а также в носовой и кормовой частях каждой продольной секции, ограниченных козырьками, выполнены независимыми друг от друга с возможностью раздельной подачи и стравливания воздуха.
Недостаток изобретения заключается в сложности конструкции системы кавернообразования, что снижает ее надежность.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является устройство для снижения гидродинамического сопротивления движению судна, реализованное в быстроходном судне с газовыми кавернами и водометными движителями, известному по патенту RU 2139807, В63В 1/08, В63В 1/10, В63В 1/38, В63В 3/42, опубл. 20.10.1999. Изобретение касается профилирования днищевых обводов корпуса быстроходного судна с газовыми кавернами и водометными движителями. Каждый из этих движителей имеет обтекатель водозаборника. Быстроходное судно содержит корпус с бортовыми скулами, скегами и транцем. Его днище имеет один и более поперечных реданов. Судно выполнено с системой подачи воздуха или газа для формирования искусственных газовых каверн в пространстве между реданами, боковыми скегами и транцем. Участки днища корпуса по обе стороны от обтекателей водозаборников водометных движителей в районе концевой части обтекателей выполнены с отрицательной или обратной килеватостью шпангоутов. Судно может иметь два и более корпусов. Оно может дополнительно оборудоваться движителями, отличными от водометных.
Недостаток изобретения заключается в неполном использовании преимуществ газовой каверны для уменьшения буксировочного сопротивления судна из-за наличия участков днища, замытого в районе водозаборника водометного движителя.
К недостаткам устройства-прототипа следует отнести неполное использование преимуществ газовой каверны для уменьшения буксировочного сопротивления судна из-за наличия участков днища, замытого в районе водозаборника водометного движителя.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание способа снижения гидродинамического сопротивления движению судна за счет профилирования днища и организации процесса сгорания в каверне, что позволит не только частично изолировать днище от прямого контакта с водой и обеспечить «газовую смазку» с помощью продуктов сгорания, но и повысить тяговое усилие за счет воздействия продуктов сгорания на тяговые стенки каверны.
Задачей изобретения является также создание устройства для осуществления способа снижения гидродинамического сопротивления движению судна, состоящего из профилированного днища с каверной, одного или нескольких движителей любого типа и системы подачи воздуха, в котором сгорание топливной смеси в каверне происходит в турбулентном режиме, а в выходной части каверны формируется струя истекающих продуктов сгорания, которая обеспечивает дополнительную тягу, при этом уменьшается площадь днища, замытого водой, так как в результате сгорания в полости каверны развивается значительное избыточное давление продуктов сгорания.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:
- способом снижения гидродинамического сопротивления движению судна за счет профилирования днища и организации процесса сгорания в каверне, включающим подачу воздуха в полость каверны, в котором поток воздуха в каверне движется вдоль продольной оси днища, а в области входного сечения каверны в поток воздуха впрыскивается топливо (или вместо воздуха подается готовая горючая смесь), образующее с воздухом горючую смесь, воспламеняемую слабым источником зажигания, а после стабилизации турбулентного пламени формируется поток продуктов сгорания, движущийся по направлению к выходному сечению каверны, где формируется реактивная струя, при этом не только существенно снижается гидродинамическое сопротивление движению судна за счет снижения составляющей сопротивления трения из-за уменьшения площади днища, находящегося в контакте с водой, но и создается дополнительная движущая/толкающая сила,
- устройством для осуществления способа снижения гидродинамического сопротивления движению судна, включающим профилированное днище с каверной, с одним или несколькими движителями любого типа, и систему подачи воздуха, в котором согласно изобретению на входе в каверну параллельно днищу напротив щели подачи воздуха в каверну установлена рассеивающая пластина, система питания обеспечивает подачу топлива в полость каверны через форсунки, расположенные в рассеивающей пластине, система зажигания обеспечивает инициирование процесса сгорания с помощью слабого источника зажигания.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства.
На фиг. 2 приведена расчетная схема предлагаемого устройства.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства.
Устройство состоит из каверны 1, образованной профилированным днищем 2 судна и реданом 3, системы подачи воздуха (на фиг. не показана), входной щели 4 подачи воздуха, отбойной пластины-стабилизатора горения 5, системы подачи топлива (на фиг. не показана) и системы зажигания (на фиг. не показаны), а также выходного сопла 6, образованного поверхностью профилированного днища 2, транцем 7 и поверхностью воды.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Воздух нагнетается в каверну 1 через входную щель 4 и благодаря отбойной пластине-стабилизатору горения 5 направляется вдоль профилированного днища 2 к выходному соплу 6. Топливо подается в область между входной щелью 4 и отбойной пластиной-стабилизатором горения 5, где происходит подготовка горючей смеси, а затем зажигание образованной горючей смеси слабым источником зажигания. После кратковременного переходного периода в области отбойной пластины-стабилизатора горения 5 со стороны выходного сопла 6 пламя стабилизируется: со стороны входной щели 4 поступает образованная горючая смесь, а продукты горения движутся по направлению от пламени к выходному соплу 6. При этом в каверне формируется поток продуктов горения, который позволяет существенно снизить гидродинамическое сопротивление движению судна за счет уменьшения составляющей сопротивления трения, поскольку уменьшается площадь днища, находящаяся в контакте с водой, а так же за счет снижения составляющей остаточного сопротивления, поскольку у судов с каверной кривизна водной поверхности, вытесняемой судном, намного меньше, чем у классических глиссеров. Кроме того, эффект расширения продуктов горения в дополнение к снижению гидродинамического сопротивления приводит к созданию дополнительной движущей/толкающей силы, возникающей в результате реакции продуктов горения - реактивной составляющей.
Приводим пример многомерного газодинамического расчета макета днища судна с активной каверной, соответствующего данному изобретению. Длина каверны составляет 1550 мм, высота - меняется от 47 до 0 мм относительно нормального уровня воды. Воздух или горючая смесь подаются в каверну через щель шириной 33 мм. Для предотвращения «выдавливания» воды в области подачи газа перпендикулярно направлению подачи воздуха установлена пластина шириной 48 мм. Глубина воды в расчете составляла 370 мм. Скорость движения каверны принималась равной 5 м/с. На выходе из каверны использовались граничные условия с нормальным давлением. Воздух или горючая смесь подавались в каверну с избыточным давлением 10, 20 и 40 кПа. В качестве горючей смеси использовалась стехиометрическая пропановоздушная смесь при нормальных условиях. В расчетах фиксировались значения расхода воздуха или горючей смеси, поступающие в каверну, а также силы, действующие на каверну в вертикальном и горизонтальном направлении.
В таблице 1 приведены итоговые результаты расчетов с разным избыточным давлением подачи воздуха/топливной смеси. Кроме значений расходов и сил, действующих на судно со стороны газа в каверне, в таблице 1 указаны значения удельного импульса этих сил, равного отношению силы к секундному расходу рабочего тела - воздуха или топливной смеси. Удельный импульс силы определяет энергоэффективность процесса. Видно, что удельный импульс горизонтальной силы при горячей продувке приблизительно в 2 раза превосходит соответствующее значение при холодной продувке, а удельный импульс вертикальной силы при горячей продувке превосходит соответствующее значение при холодной продувке в 4-14 раз в зависимости от избыточного давления подачи газов в каверну.
Результаты расчетов
Таким образом, предложены способ снижения гидродинамического сопротивления движению судна за счет профилирования днища и организации процесса сгорания в каверне, а также устройство для его реализации. Показано, что подача в каверну горючей смеси и ее последующее сжигание под днищем судна позволяют существенно повысить эффективность каверны по отношению к возникающим горизонтальным и вертикальным составляющим сил, действующих на судно со стороны газов.