Судно з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці

Реферат: Судно з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці складається із корпусу з бортами і днищем, енергетичної установки, щонайменше двох рушіїв вертикального підйому, установлених у носовій і кормовій частині з кожного борту судна на достатньому віддаленні та симетрично відносно вертикальної осі, що проходить через центр ваги судна для стійкого положення судна на водній поверхні, причому кожен із водних рушіїв вертикального підйому має привод від енергетичної установки, та виконаний у вигляді водомету з вихідним соплом і складається із водометної труби з водозабірником з ґратами, лопатевого механізму з валом, установленим вертикально відносно водної поверхні з гвинтом та корпусу лопатевого механізму. При цьому, водометна труба має установлений вздовж борту судна напірний патрубок, вхід якого з'єднаний з водозабірником, жорстко закріпленим з отвором у стінці борту, а вихід всередині суміщений з вихідним соплом, а зовні - з отвором у днищі судна, та жорстко закріплений з ним корпус лопатевого механізму сполучений з водозабірником. UA 121721 U (12) UA 121721 U UA 121721 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до суднобудування водних транспортних засобів та стосується побудови суден з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці. Відоме судно на повітряній подушці "Сормович", що містить корпус з водійським і пасажирським відділеннями, всередині якого розміщений двигун, через редуктори з'єднаний з осьовим нагнітачем і двома повітряними гвинтами змінюваного кроку, встановленими в кільцях, гнучке огородження, повітряні кермо напряму, механізми управління судном. Потужність двигуна 1970 кВт, швидкість руху 140 км/год., висота гнучкого огородження 1 м, кількість пасажирів 50 чол. / Єжи Бень, Моделі і аматорські судна на повітряній подушці, пер. з польської, - Л.: Суднобудування, 1983, - С. 18-19. Недоліками відомого судна на повітряній подушці "Сормович" є значні витрати палива, невелика вантажопідйомність, мала висота підйому над поверхнею водойми, недостатня мореплавність, наявність великої кількості бризок, створюваних судном. Зазначені недоліки обумовлені конструкцією судна. Також аналогом корисної моделі, що пропонується, є аеродинамічне судно / патент РФ на винахід № 2149109, МПК (2000.01) B60V 1/14, B60V 3/06, пріоритет від 27.04.1999/, що складається із корпусу, головного двигуна, розміщеного у носовій частині корпусу судна, механічно зв'язаного через силову передачу з рушіями вертикального підйому, маршового двигуна, розміщеного у кормовій частині судна, механічно зв'язаного через силову передачу з маршовими двигунами, механізмів управління, головного редуктора силової передачі з'єднаного через силові механізми з відповідними рушіями вертикального підйому, які виконані дисковими, циліндричні і всередині кожного з них розміщений редуктор, головний вал якого пропущений через бічний отвір корпусу, а ведені вали розміщені вертикально і на них закріплені верхні і нижні групи дисків. Недоліками відомого аналога є використання двох енергетичних установок: головного двигуна для приводу в дію рушіїв вертикального підйому і маршового двигуна для приводу в дію маршових двигунів, що приводить до значних витрат палива. Окрім того, перехід на такий режим роботи судна як його підйом над поверхнею води після підйому його з води з допомогою рушіїв вертикального підйому в умовах нестабільності поверхні води (при бокової та хвильової хитавиці) може приводити до зниження таких характеристик морехідності, як стабільність руху судна, а в окремих випадках до аварійності таких суден. Недоліками відомого аналога також є як складна конструкція рушіїв вертикального підйому, так і система загального силового приводу, в результаті чого підвищується матеріало- і металоємність конструкції судна в цілому та відповідно зниження загальної надійності роботи силових та інших механізмів судна. Найбільш близьким відомим технічним рішенням до судна з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці, що заявляється, є судно, вибране як прототип, описане у патенті РФ на винахід "Спосіб руху на воді та швидкісне судно для руху на воді на векторах упорів водних рушіїв" (варіанти) / патент № 2364544, МПК (2006.01) В63Н 1/02, 1/12, 1/14, пріоритет від 20.09.2007/, що складається із корпусу з бортами і днищем, енергетичної установки, щонайменше двох пар водних рушіїв вертикального підйому, установлених у носовій і кормовій частині з кожного борту судна на достатньому віддаленні та симетрично відносно вертикальної осі, що проходить через центр ваги судна для стійкого положення судна на водній поверхні, причому кожен із водних рушіїв вертикального підйому має привод від енергетичної установки та виконаний у вигляді водомету з вихідним соплом і складається із водометної труби з водозабірником з ґратами, лопатевого механізму з валом, установленим вертикально відносно водної поверхні з гвинтом та корпусу лопатевого механізму. Для підвищення морехідних якостей на судні установлена система автоматичного управління стабілізації судна при хитавиці, що управляє пристроями зменшення або збільшення упору рушіїв шляхом подачі повітря або відключення подачі повітря на гребний гвинт або в лопатевий механізм. Як виконавчий механізм системи автоматичного управління стабілізації судна для подачі повітря або води використовується перекидний клапан. Курсовий рух відомого швидкісного судна забезпечується зміною положення вертикального гребного валу з гвинтом під дією водила шарнірно з'єднаного з гребним валом. На судні встановлена система автоматичного управління величиною і напрямком горизонтальної складової упору кожного рушія. 1 UA 121721 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Загальними ознаками прототипу і судна з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці, що заявляється, є судно з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці, що складається із корпусу з бортами і днищем, енергетичної установки, щонайменше двох пар водних рушіїв вертикального підйому, установлених у носовій і кормовій частині з кожного борту судна на достатньому віддаленні та симетрично відносно вертикальної осі, що проходить через центр ваги судна для стійкого положення судна на водній поверхні, причому кожен із водних рушіїв вертикального підйому має привод від енергетичної установки та виконаний у вигляді водомету з вихідним соплом і складається із водометної труби з водозабірником з ґратами, лопатевого механізму з валом, установленим вертикально відносно водної поверхні з гвинтом та корпусу лопатевого механізму. Відоме швидкісне судно забезпечує зменшення витрат енергії на переміщення водних мас корпусом та зменшення гідродинамічного опору за рахунок створення гідродинамічної підйомної сили, у результаті чого підвищується швидкість судна. Недоліком відомого швидкісного судна, вибраного як прототип, є використання складної системи автоматичного управління стабілізації судна в умовах бокової та хвильової хитавиці і особливо використання перекидного клапана як перемикача трубок подачі води або повітря до лопатей гвинта, тому що постійна робота перекидного клапана в умовах підвищеної вологості може приводити до збою його роботи, що знижує надійність роботи даної системи автоматичного управління і відповідно знижує морехідність судна в цілому. Недоліком прототипу також є використання складної системи механічного регулювання зміною кута нахилу гребного вала від вертикальної осі, що в свою чергу знижує надійність роботи механізмів курсового руху. В основу заявленої корисної моделі поставлена задача удосконалення судна з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці за рахунок особливостей конструкції, що забезпечує підвищення надійності при експлуатації та морехідності, спрощення конструкції та зниження її собівартості, при забезпеченні зниження витрат палива та підвищення швидкості судна за рахунок зменшення затрат енергії на переміщення водних мас його корпусом. Поставлена задача вирішується також тим, що судно з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці, що складається із корпусу з бортами і днищем, енергетичної установки, щонайменше двох пар водних рушіїв вертикального підйому установлених у носовій і кормовій частині з кожного борту судна на достатньому віддаленні та симетрично відносно вертикальної осі, що проходить через центр ваги судна для стійкого положення судна на водній поверхні, причому кожен із водних рушіїв вертикального підйому має привод від енергетичної установки та виконаний у вигляді водомету з вихідним соплом і складається із водометної труби з водозабірником з ґратами, лопатевого механізму з валом установленим вертикально відносно водної поверхні з гвинтом та корпусу лопатевого механізму, відповідно до корисної моделі, водометна труба має установлений вздовж борту судна напірний патрубок, вхід якого з'єднаний з водозабірником, жорстко закріпленим з отвором у стінці борту, а вихід всередині суміщений з вихідним соплом, а зовні - з отвором у днищі судна, та жорстко закріплений з ним корпус лопатевого механізму сполучений з водозабірником, так що вал лопатевого механізму установлений через водозабірник співвісно з напірним патрубком, а лопаті гвинта на кінці вала розташовані на вході напірного патрубка. Судно з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці, відповідно до корисної моделі, має напірний патрубок, виконаний у вигляді труби, а вільні кінці лопатей гвинта лопатевого механізму розташовані максимально близько до стінок напірного патрубку. Представлені ознаки складають суть судна з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці, що заявляється. Істотні ознаки корисної моделі знаходяться у причинно-наслідковому зв'язку з технічним результатом, що досягається. Так, відомо рівняння: Μ = (Ос Шм)/(Пп Пр), (див. Довідник по катерам, човнам і моторам Г.М. НОВАКА, вид. 2-е. Ленінград: СУДНОБУДУВАННЯ, 1982 р. (позначення параметрів для зручності користування змінені), де: М - потужність енергетичної установки - Вт; 2 UA 121721 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Ос - опір судна - Η; Шм - максимальна швидкість судна - м/с; Пп - ККД механічної передачі потужності на рушії, величина, що дорівнює ~ (0,95-0,97); Пр - Пропульсивний коефіцієнт - величина, залежна від конструкції судна і залежна від його швидкості, знаходиться в межах ~ 0,25-0,35 при максимальних швидкостях (наприклад, для швидкостей до 100 км/год.). Таким чином, для конкретного судна всі показники є фактично незмінними окрім показника опір судна. Запропоноване судно з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці при курсовому русі витрати палива зменшується за рахунок вертикального підйому судна, тому що зменшується гідродинамічний опір водних мас до корпусу судна. Для стабілізації курсового руху та забезпечення стійкості руху в умовах бортової та хвильової хитавиці запропонована конструкція водних рушіїв вертикального підйому з водометною трубою з водозабірником, установленим у отвір в стінці борту судна і напірним патрубком з'єднаним з днищем судна, а лопатевий механізм з валом і гвинтом установлений так, що вал проходить через водозабірник і гвинт розміщується на вході напірного патрубку. Після підйому судна водними рушіями вертикального підйому і виходу водозабірної камери до рівня водної поверхні водойми та включенні двигунів курсового руху в умовах бортової та хвильової хитавиці, коли один або декілька водозабірників піднімаються над рівнем водної поверхні водойми водні рушії через водозабірники засмоктують повітря разом з водою, при цьому упор(и) відповідного водного(них) рушія (або відповідних рушіїв) вертикального підйому зменшуються і судно повертається у вихідне положення. Чим більше водозабірник(и) виходить(ять) із води, тим меншим(и) стає(ють) упор(и) рушія(їв) і тим швидше судно повертається у вихідне положення. Таким чином запропонована конструкція судна забезпечує підвищення надійності при експлуатації та морехідності, спрощення конструкції та зниження її собівартості, при забезпеченні зниження витрат палива та підвищення швидкості судна за рахунок зменшення затрат енергії на переміщення водних мас його корпусом. Сукупність ознак, що приведена у формулі корисної моделі у повній мірі забезпечує можливість досягнення поставленої задачі. Нижче приводиться докладний опис судна з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці, що запропоноване з посиланнями на креслення, на яких представлено: На Фіг. 1 - вигляд на судно зверху з умовним розміщенням водних рушіїв вертикального підйому. На Фіг. 2 - подовжній переріз водного рушія вертикального підйому та місця його розміщення на судні (у вихідному положенні до підйому судна). На Фіг. 3 - подовжній переріз водного рушія вертикального підйому та місця його розміщення на судні (у положенні після підйому судна). Дана корисна модель пояснюється конкретними прикладами виконання, які однак не є єдино можливими, але наочно демонструють можливість досягнення даною сукупністю ознак заданого технічного результату. Запропоновано судно для переміщення на воді на упорах водних рушіїв. Судно також може бути виготовлено шляхом дороблення існуючих суден. На Фіг. 1 зображено судно зверху з вісьмома водними рушіями вертикального підйому 1, які призначені для переміщення судна на воді на упорах і водозабірниками 2. Судно складається із корпусу 3, в якому, наприклад, розміщені відсіки для машинного відділення, рубки управління, бак з паливом, енергетична установка (двигун з електродвигунами), рушії курсового руху (на Фіг. 1 не показані), а також водні рушії вертикального підйому 1. Водні рушії вертикального підйому 1 установлені попарно - на носовій і на кормовій частинах судна з кожного борту 4 та 5, розміщені симетрично до поздовжньої осі судна на достатньому віддалянні від вертикальної осі 6, що проходить через центр ваги судна. Вектори упорів рушіїв вертикального підйому 1 направлені вгору. Точка прикладення сумарного вектору упорів розташована в районі вертикальної осі 6, що проходить через центр ваги судна. Кількість водних рушіїв вертикального підйому 1 та їх розташування може бути іншим, щонайменше дві пари водних рушіїв вертикального підйому установлених у носовій і кормовій частині з кожного борту судна на достатньому віддалянні та симетрично відносно вертикальної осі 6, що проходить через центр ваги судна. 3 UA 121721 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На Фіг. 2 зображений подовжній переріз водного рушія вертикального підйому 1 та місця його розміщення на судні (у вихідному положенні до підйому судна). На Фіг. 3 зображений подовжній переріз водного рушія вертикального підйому 1 та місця його розміщення на судні (у положенні після підйому судна). Кожен із інших водних рушіїв вертикального підйому 1 виконані аналогічно варіанту зображеному на Фіг. 1. Водний рушій вертикального підйому 1 - водомет з вихідним соплом 7 у водному середовищі для руху на воді на упорах і складається із водометної труби 8, що включає водозабірник 9, який має вигляд прямокутної труби установленої в горизонтальній площині, вхід якого закритий ґратами 10, установленими вертикально для захисту входу водозабірника 9 від сміття при всмоктуванні води. Вхід водозабірника 9 жорстко закріплений з отвором 11 у стінці борту 4 або 5 судна. Вихід водозабірника 9 з'єднаний з входом напірного патрубка 12 установленого уздовж борту 4 або 5 судна перпендикулярно водозабірнику 9. Вихід напірного патрубка 12 суміщений всередині з вихідним соплом 7, а зовні - з отвором 13 у днищі 14 судна, та жорстко закріплений з ним. Лопатевий механізм для вертикального підйому судна на воді складається із приводного вала 15 з гребним гвинтом 16 з лопатями 17 та підшипникового вузла 18. Лопатевий механізм поміщений у корпус 19, жорстко закріплений з водозабірником 9. Приводний вал 15 установлений співвісно і вертикально з напірним патрубком 12 перетинає водозабірник 9, так що гребний вал 16 з лопатями 17 на кінці вала 16 розташовані на вході напірного патрубка 12. Підшипниковий вузол 18 поліпшує умови обертання гребного вала 16 з лопатями 17. Напірний патрубок 12 закріплений до борту 4 або 5 з допомогою кронштейнів 20. Для зменшення індуктивного опору, що виникає при обертанні гребного вала 16 назустріч напірному струму водомета, доцільно напірний патрубок 12 виконати у вигляді труби, а вільні кінці лопатей 17 гребного гвинта 16 лопатевого механізму розташувати максимально близько до стінок напірного патрубка. Привод водних рушіїв вертикального підйому 1 здійснюється від енергетичної установки (не показана) - судового газотурбінного двигуна (або парогенератора) через електродвигуни. Вибір такої схеми приводу значно спрощує схему механічної передачі обертання до водних рушіїв вертикального підйому та відповідно значно зменшує матеріало- та металоємність конструкції в цілому та зниження її собівартості. Для курсового переміщення судна використовуються традиційні гребні гвинти (або гвинт) з приводом від енергетичної установки. Потужність енергетичної установки вибирається із розрахунку достатнього для створення сумарного упора рушіїв вертикального підйому та упору курсового переміщення, що перевищують вагу судна на 10-25 %. Реакція обертання судна від гребних гвинтів 16 лопатевих механізмів нейтралізуються їх обертанням у протилежні сторони, як показано круговими стрілками на Фіг. 1. Для закривання входу водозабірників 9 від прямого попадання хвиль та зруйнування лопатевих механізмів необхідно установлювати козирки (не показані). Судно з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці працює в наступному порядку. При непрацюючих водних рушіях вертикального підйому 1 судно знаходиться на плаву як звичайне водотоннажне судно. При цьому судно займає вихідне положення (див. Фіг. 2) і здатне рухатися і маневрувати, як звичайне водотоннажне судно за рахунок традиційних гребних гвинтів курсового переміщення. Під час включення енергетичної установки і відповідних електродвигунів та виходу на номінальний режим обертання приводних валів 15 судно під дією упорів відповідних водних рушіїв вертикального підйому 1 піднімається до суміщення верхньої частини водозабірників 9 до рівня водної поверхні водойми (див. Фіг. 3). Причому сила упорів, яка вертикально піднімає судно, утворюється за рахунок реактивної тяги струму води, що всмоктується у водозабірники 9 через грати 10 і виштовхується через напірні патрубки 12 через вихідні сопла 7. Якщо судно продовжує подальший підйом через входи водозабірників 9 до лопатей 17 гребного гвинта 16, разом з водою всмоктується повітря, у результаті чого сила упорів зменшується, підйом судна завершиться та під дією власної ваги судно повертається до рівня поверхні води водойми у вихідне положення. Чим більше піднімається судно над водною поверхнею, тим більший об'єм повітря всмоктується через входи водозабірників 9 через грати 10 і відповідно менше сила упорів та швидше судно повертається до рівня водної поверхні. В такому положенні судна (на рівні водної поверхні) (див. Фіг. 3) приводні гребні вали 15 обертаються с постійною швидкістю без залежності від швидкості та його маневрування після запуску електродвигунів і початку обертання гребних гвинтів курсового переміщення судна. 4 UA 121721 U 5 10 15 20 25 30 35 Режим стабільності обертання приводних гребних валів 15 є найбільш сприятливим для одержання максимального сумарного упору і для роботи двигунів енергетичної установки з точки зору економії палива. Розглянутий режим роботи механізмів судна можна вважати ідеальним з точки зору повної відсутності хитавиці або під час малого хвилювання на водній поверхні. В реальних умовах під час бортової та хвильової хитавиці режими роботи механізмів змінюються. Під час збільшення висоти хвиль починається бортова хитавиця, під час якої один з бортів, наприклад, борт 4 піднімається над рівнем водної поверхні водойми, причому водні рушії вертикального підйому 1, розмішені з сторони борту 4 починають всмоктувати повітря разом з водою через відповідні входи водозабірників 9, що послаблює реакцію струму і зменшує силу упору з сторони борту 4, у результаті чого борт 4 починає опускатися, а водні рушії вертикального підйому 1 з протилежного борту 5 будуть працювати в штатному режимі і підвищувати силу упорів з сторони борту 5 до моменту коли сила упорів з сторони борту 4 і борту 5 зрівняються і судно знову займає горизонтальне положення. Під час хвильової хитавиці водні рушії вертикального підйому 1 працюють у режимі, коли спочатку піднімається носова частина судна, у результаті чого всмоктується повітря разом з водою водними рушіями вертикального підйому 1, розміщеними у носовій частині, що послаблює реакцію струму і відповідно зменшує упори водних рушіїв вертикального підйому 1 носової частини судна і, як наслідок, призводить до опускання носової частини судна, а водні рушії вертикального підйому 1 кормової частини, що працюють у штатному режимі, підвищують силу упору кормової частини до моменту, коли сили упорів зрівнюються, а судно займає горизонтальне положення. Після проходження вершини хвилі, коли носова частина судна опускається, водні рушії вертикального підйому 1 кормової частини піднімаються наверх і всмоктують повітря разом з водою. Сила упорів, що діє на кормову частину судна, зменшується, а водні рушії вертикального підйому 1 носової частини судна, що працюють у штатному режимі, підвищують силу упорів цієї частини судна та сприяють вирівнюванню судна. Диферент судна (це кут поздовжнього нахилу судна, що викликаний різницею осадки носової і кормової частин судна) усувається автоматично, як під час хитавиці, тільки в цьому випадку перерозподіл сили упорів водних рушіїв вертикального підйому 1 не відбувається до моменту усунення його причини (довільне переміщення вантажу, вода у трюмі і т.п.). Таким чином, запропонована конструкція судна забезпечує підвищення надійності при експлуатації та морехідності, спрощення конструкції та зниження її собівартості, при забезпеченні зниження витрат палива та підвищення швидкості судна за рахунок зменшення затрат енергії на переміщення водних мас його корпусом. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 1. Судно з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці, що складається із корпусу з бортами і днищем, енергетичної установки, щонайменше двох рушіїв вертикального підйому, установлених у носовій і кормовій частині з кожного борту судна на достатньому віддаленні та симетрично відносно вертикальної осі, що проходить через центр ваги судна для стійкого положення судна на водній поверхні, причому кожен із водних рушіїв вертикального підйому має привод від енергетичної установки та виконаний у вигляді водомету з вихідним соплом і складається із водометної труби з водозабірником з ґратами, лопатевого механізму з валом, установленим вертикально відносно водної поверхні з гвинтом, та корпусу лопатевого механізму, яке відрізняється тим, що водометна труба має установлений вздовж борту судна напірний патрубок, вхід якого з'єднаний з водозабірником, жорстко закріпленим з отвором у стінці борту, а вихід всередині суміщений з вихідним соплом, а зовні - з отвором у днищі судна, та жорстко закріплений з ним корпус лопатевого механізму сполучений з водозабірником, так що вал лопатевого механізму установлений через водозабірник співвісно з напірним патрубком, а лопаті гвинта на кінці вала розташовані на вході напірного патрубка. 2. Судно з механізмами створення гідродинамічної підйомної сили та забезпечення стійкого руху на воді в умовах бортової та хвильової хитавиці за п. 1, яке відрізняється тим, що напірний патрубок виконаний у вигляді труби, а вільні кінці лопатей гвинта лопатевого механізму розташовані максимально близько до стінок напірного патрубка. 5 UA 121721 U 6 UA 121721 U 7 UA 121721 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8