Буксир-гондола колдізєва

Изобретение относится к судостроению и касается разработки эффективных устройств, механизмов и систем создающих тягу с высокой энергией тепла веществ участвующи х в процессах, высоким КПД, и экологической чистотой процессов, и может быть использовано, например, при создании суперпаромов, развивающих маршевую (на крыльях) скорость порядка 100км/ч. Настоящее изобретение создано в порядке реализации предложенного (прилагаемого) "Способа создания тяги в воде", в котором тяга создается с помощью (на базе) комбинации гидрореактивных движителей прямой реакции с использованием также комбинации сопряженных, например электромагнитных, термодинамических и пр. способов создания реактивной тяги и устройств, способствующи х снижению гидродинамического сопротивления в пристенных областях поверхностей судна и движителей. В настоящее время, основным сдерживающим фактором в развитии мирового судостроения является отсутствие эффективного судового движителя. Сейчас основным судовым (как бы маршевым) движителем является винт. И именно винт, имеющий целый ряд существенных недостатков (как основной судовой движитель), стал серьезным препятствием на пути дальнейшего развития судостроения (его форм, видов, размеров, скоростей движения и т.д.). Каковы же эти сдерживающие судостроение параметры винта? 1. Низкий (даже теоретический!) КПД. Теоретический КПД винта составляет около 71%. 2. Винт, требуя механического привода, серьезно ограничивает судостроителей в выборе эффективных средств и способов преобразования различных видов энергии в тяговое усилие. 3. Основное (целесообразное) место его расположения - кормовая или хвостовая часть плавсредства. Это вынуждает (по целому ряду технико-экономических соображений) во-первых: делать форму крупнотоннажных транспортных средств балкообразной, вытянутой; и во-вторых: ограничивает возможности эффективного наращивания мощности пропульсивной установки плавсредства за счет, например, увеличения количества установленных на нем винтов. Немаловажным фактором, сдерживающим развитие работ по созданию высокоэффективных движительных систем и устройств создания тяги, является необходимость коренного пересмотра обводов судна (несущего движитель), компоновки его энергетической установки и, следовательно, изменения архитектуры судна. Гидродинамические процессы образования сил тяги и сопротивления неразрывно связаны во времени и пространстве и происходят практически на всей поверхности, несущего движитель судна, контактирующей с окружающей гидросредой. Определяющим для величины пропульсивного коэффициента элементом является взаимное расположение движителя (движителей) и корпуса судна, несущего этот движитель и характер взаимодействия омывающих их потоков гидросреды. Например, в книге Куликова С.В. и Храмкина М.Ф. "Водометные движители" (Л.: Судостроение, 1980) убедительно доказано, что при рациональном расположении движителя (движителей) на корпусе несущего их судна, пропульеивный КПД может достигать значений, близких к единицу и даже больших. До сих пор решение задачи создания пропульсивной системы судна с одновременным учетом всего приведенного выше комплекса проблем, не удавались. Так, например, в 1975г. были опубликованы сведения о конструкции двухступенчатого гидрореактивного движителя, изобретенного в Англии (Скотт И.Л., патент №1413845, кл. B7Y, B63h11.08, 12.11.75). В этом прототипе сравнительно хорошо решена проблема взаимодействия транспортного средства и его основного буксирующего элемента. Здесь буксирующее судно (как основной элемент пропульсивной системы) выделен в отдельный агрегат (элемент). Он является полностью погруженным в гидросреду гондоловидным судном, будучи связанным с транспортным средством с помощью жесткой пустотелой стойки. В этом прототипе к положительным моментам необходимо также отнести попытку значительного снижения лобового Сопротивления движению судна в гидросреде, при этом энергия набегающего потока используется для улучшения характеристик работы движителя. Но в приведенном прототипе неудовлетворительно подобраны посредники превращения энергии для получения сил создающих тягу - применяется двухступенчатая система с использованием турбины и т.п. Главный его недостаток - гидрореактивным движителем вырабатывается традиционная, малоэффективная, почти цилиндрическая (с небольшим углом раскрытия) форма рабочей струи. Теоретический КПД такой струи не может превосходить величины примерно в 75%. В 1986г. были опубликованы данные о Японском "Электромагнитном движителе судна" (см. МКИ 4 63H19/00, B63G8/08 и т.д. П убликация 86.08.22 №2 929. Заявитель Дзюкоге К.К. "Электромагнитный движитель судна"). Этот прототип демонстрирует сравнительно хорошее владение инструментом превращения электроэнергии в тяговое усилие (использование тороидальных магнитных система на основе сверхпроводимости), и слабое решение гидродинамических проблем. Этот движитель не может иметь высоких технико-экономических характеристик. Если все построить так, как это предлагает автор изобретения (см. рис. упомянутого патента, где: 1 - судно, а в кормовой его части установлен этот движитель), то огромное лобовое сопротивление судна (несущего движитель) не позволит судну достичь высокой скорости движения. Плюс тот же недостаток что и у Английского прототипа вырабатываемая движителем гидрореактивная рабочая струм будет несовершенной, малоэффективной - цилиндрической формы. Что позволяет предположить теоретический КПД движителя менее 75%. А этого слишком мало для современных пропульсивных установок морского транспортного средства. До настоящего времени действительно основной геометрической формой и структурой вырабатываемой движителем рабочей струи была как бы однородная, неструктурированная, монолитная, цилиндрическая. Это относится не только к рассмотренным прототипам, но и ко всем известным эффективным устройствам создающим тягу например винтовым движителям, гидрореактивным установкам и т.д. Удачные попытки хотя бы несколько изменить эту форму есть (например винт помещенный в кольцевую насадку и пр.), но они позволяют незначительно изменить характеристики цилиндрической струи. Да и применимы для винтов сравнительно небольших диаметров. Так если теоретический КПД винта составляет примерно 71%, то конструкция движителя "винт в кольцевой насадке" может иметь КПД равный 76%. Т.е. кольцевая насадка, придавая рабочей струе определенную конусность, например с углом раскрытия порядка 5° (градусов), позволяет увеличить его КПД примерно на ту же величину. Но возможности этого способа увеличения КПД движителя по ряду причин ограничен. То же можно сказать об эффективности други х известных способов и устройств повышения КПД движителей, вырабатывающих цилиндрическую неструктурированную рабочую струю. Из теории гидродвижителей известно, что разность скоростей рабочей струи создающей тягу, и окружающей ее спутной струи, должна быть как можно меньшей. Следовательно для наращивания мощности и для увеличения КПД движителя необходимо стремиться к увеличению диаметра рабочей гидроструи и уменьшения ее скорости, особенно в периферийной зоне (по всей окружности). Таким образом, очевидна целесообразность отказаться от создания традиционной, цилиндрической формы рабочей струи и конструировать более сложную, наукоемкую, сложносоставную струю. Как это разработано на изобретательском уровне в "Способе создания тяги в воде". А затем реализовано в предлагаемом здесь изобретении. Предлагаемая в материалах настоящего изобретения конструкция буксирующего судна или "Буксир-гондолы" представляет собой как бы базовую, инвариантную конструкцию, (выполненную на изобретательском уровне) комбинированного гидрореактивного движителя. В ней на корпусе буксирующего судна гондоловидной формы скомпонованы носовой и кормовой прямоточные электромагнитные движители канального типа. А также (между носовым и кормовым движителями) скомпонован движитель (движительная поверхность) открытого типа (см. рис.1). "Буксир-гондола" представлена в нескольких вариантах. Так в варианте (см. рис.2) к вышеназванным комбинациям добавлен тепловой гидрореактивный двигатель, служащий для наращивания мощности буксир-гондолы. В тепловом гидрореактивном двигателе, в свою очередь, могут быть использованы различные виды топлива для превращения энергии теплоносителей в тяговое усилие. Для этого понадобятся всего лишь некоторые (выполненные на инженерном уровне)разработки. Тепловой гидрореактивный двигатель может работать, например, на гидрореагирующем топливе (натрий, калий, алюминий, пентаборан и пр.) или на экологически более чистом водородном топливе, и т.д. Наряду с вышеназванными комбинациями движителей выполненных на (или в) корпусе буксир-гондолы изобретение позволяет использовать целый ряд различных других способов и устройств по превращению, например, электроэнергии в тяговое усилие, а также способов и устройств служащи х для уменьшения гидродинамического сопротивления движению забортной среды в каналах движителей. Буксир-гондола (буксирующее судно) включает (рис.1, 2): 1 - гондоловидный корпус буксир-гондолы, служащий для монтажа на нем и внутри него элементов, систем и коммуникаций, служащих для преобразования тепловой и электрической энергии в силу тяги и восприятия тягового усилия (вырабатываемого всеми движительными элементами), для последующей передачи его на транспортное средство; 2 - пустотелая штанга, связывающая корпус буксир-гондолы и транспортного средства и служащая как для передачи силы тяги, так и для прокатки (внутри ее) электрических, топливоподающих, о хлаждающих и прочих коммуникаций; 3 система кольцевых пустотелы х, профилированных обечаек, совместно с опорамиэнергопроводами, электродами и носовой частью гондоловидного корпуса образующая секторовидные каналы носового электро-гидро-реактивного движителя; 4 - приемный трубопровод системы отсоса забортной воды, предназначенной для дальнейшего использования ее в процессах наращивания массы рабочей струи, исходящей из камеры сгорания теплового гидрореактивного двигателя (и далее по тракту); 5 система электромагнитных обмоток, служащая для создания движительной поверхности (движители открытого типа) в центральной части гондоловидного корпуса (не охваченного обечайками носового и кордового электромагнитных движителей); 6 система кольцевых, п устотелы х, профилированных обечаек, совместно с опорамиэнергопроводами, электродами и кормовой частью гондоловидного корпуса образующи х секторообразные каналы кормового электро-гидрореактивного движителя; 7 система питающих, управляющи х, охлаждающих и прочих коммуникационных проводов; 8 - камера сгорания, служащая для превращения химической энергии-топлива в тепловую энергию газообразного рабочего тела; 9 - зарубашечное пространство. Служащее для утилизации тепла и подогрева рабочего тела (забортной воды) до парообразного состояния; 10 - диффузор, служащий для превращения тепловой энергии парогазового потока в кинетическую; 11 - смеситель, служащий для наращивания массы рабочего тела за счет подвода забортной воды к паро-газоконденсатной струе, с целью улучшения параметров высоконапорной рабочей струи, исходящей из среза теплового гидрореактивного двигателя. На фиг.1 изображен продольный разрез движителя (вариант без теплового гидрореактивного двигателя); на фиг.2 - продольный разрез движителя (вариант с тепловым гидрореактивным двигателем). При подаче от источника постоянного тока напряжения к парным электродам, выполненным в виде пластин обтекаемой формы и закрепленных на опорах-энергопроводах (носового и кормового прямоточных движителей), через морскую воду в канале, образованном помимо упомянутых парных электродов еще и обечайками (или корпусом гондолы и обечайкой), потечет ток. В результате воде сообщается механическая энергия, которая и будет расходоваться на создание силы тяги и покрытие гидродинамических потерь. Таким образом гидродинамический поток в каналах носового и кормового прямоточных движителей будет создаваться электромагнитными силами, возникающими между замкнутым магнитным полем электромагнитов (расположенных в полостях обечаек, а также вдоль корпуса или обшивки судна), и токами, протекающими внутри каждой пары электродов, расположенных напротив друг друга. Забортная вода, засасываемая из фронтальной области в носовой прямоточный движитель, выбрасывается из его сегментообразных каналов вдоль борта буксиргондолы под некоторым, например 5 - 8°, углом к борту. Набегающий поток, усиленный частью струй исходящих из носового прямоточного движителя, а также еще более усиленный электромагнитным движителем с внешним магнитным полем, расположенным между носовым и кормовым прямоточными движителями, будет засасываться в сегментообразные каналы кормового прямоточного движителя. И в виде концентричных струй (кольцевых потоков) выбрасываться по корме буксир-гондолы. При этом максимальная скорость многослойного, концентричне скомпонованного рабочего потока располагается в центре, уменьшаясь (ступенчато) к периферии. Вызываемые разностью скоростей завихрения будут направляться изнутри наружу, способствуя передаче энергии от внутренней струи к наружной, а также способствуя увеличению угла раскрытия, особенно кормового гидрореактивного рабочего потока. В варианте (см. фиг.2) с использованием теплового гидрореактивного двигателя, рабочий поток, исходящий из кормового электрогидравлического прямоточного движителя, как бы запирает высоконапорную рабочую струю, исходящую из среза диффузора теплового гидрореактивного двигателя, создавая как бы "гидравлический затвор" на ее пути. Это сделано с целью создания более благоприятных условий для реализации потенциала высоконапорной струи, исходящей из теплового двигателя. Так как в противном случае высоконапорная струя, состоящая (в том числе) из паро-, газоконденсатных компонентов, и имея почти цилиндрическую форму, имела или несла бы большие тепло- и гидродинамические потери и, следовательно, была бы малоэффективной в деле создания тяги. "Гидродинамический затвор", создаваемый на выходе высоконапорной струи из теплового гидрореактивного двигателя, позволяет ей реализовать свой энергетический потенциал на коротком расстоянии (не выходя за пределы обечаек прямоточного движителя) и тем самым значительно повысить ее эффективность. Очень важным преимуществом предлагаемого устройства буксир-гондолы является то, что во всех ее водозаборных устройствах вектор сил засасывания не будет располагаться в зоне действия касательных напряжений корпуса буксирующего судна.(гондолы) и, следовательно, силы подсоса будут использоваться уже только как положительные, увеличивающие тягу буксиргондолы, в том числе способствуя улучшению формы и структуры отбрасываемого рабочего потока в целом. Таким образом увеличивается диаметр и эффективность отбрасываемой суммарной рабочей гидрореактивной струи. Важным конструктивным преимуществом предлагаемого изобретения является то, что носовой прямоточный движитель спереди, а кормовой сзади (с кормы) охватывает гондоловидный корпус буксирующего судна таким образом, что переводят значительную часть (например суммарно 2/3 его поверхности) внешнего пограничного слоя, омывающего носовую и кормовую его часть во внутренние слои движителей. И этим самым соответственно (значительно) уменьшающих силы гидросопротивления движению буксирующего судна за счет уменьшения площади контакта собственно буксирующего судна с окружающей средой (водой). Что в свою очередь будет существенно способствовать повышению пропульсивного коэффициента буксир-гондолы. Также весьма важным преимуществом предлагаемого устройства буксир-гондолы является то, что оно позволяет использовать в ней (вариант с тепловым гидрореактивным двигателем) перспективные разработки мировых специализированных центров (фирм) в области создания и использования высокоэффективных, высококалорийных, видов топлива (основанных не на нефтепродуктах). А также использовать перспективные разработки в области создания и использования высокоэффективных электромагнитных систем, использующи х сверхпроводимость. В предлагаемой конструктивной форме могут быть использованы также другие перспективные разработки, например, электромагнитных, электроразрядных способов и устройств создания и наращивания тяги, и уменьшающие силу гидродинамического сопротивления корпуса судна и элементов самого движителя при работе его в гидросреде. При этом отдельные, (некоторые) способы и устройства могут работать на протяжении всех рабочих режимов, а другие в определенные моменты, например на режиме разгона, т.е. выхода транспортного средства на крылья. Таким образом предложенная конструкция буксир-гондолы (буксирующего судна) весьма емка как по представляемой ею возможностью использования различных электропотребляющих способов и устройств, способствующи х ускорению движения гидросреды в омываемых пристенных областях, так и по возможностям ее дальнейшего совершенствования. Так как заложенные в ней базовые, высокопотенциальные конструктивные формы (ее варианты), выполнение на изобретательском уровне, весьма перспективны и открывают широкие возможности для развития сравнительно нового класса наукоемких гидрореактивных движителей. Именно предложенные базовые конструктивные формы, выполненные в соответствии с разработанными на изобретательском уровне в "Способе создания тяги в воде", позволяют рационально расположить, правильно скомпоновать (в соответствии со всеми требованиями решаемых гидродинамических, и прочих спутных проблем) все подходящие способы и устройства преобразования различных видов энергии в силу тяги, а также снижающие гидродинамическое сопротивление. В итоге получается дополнительный положительный эффект - приращение пропульсивного КПД как каждого отдельного буксирующего судна, так и всей пропульсивной установки (системы) плавсредства в целом (набранной из буксиргондол), которых, в отличий от винтов, может быть не несколько штук, а десятки. И соответственно многократное приращение мощи. А это, в свою очередь, позволяет этому классу буксирующи х судов, имеющи хте хникоэкономические показатели гораздо превышающие эти показатели у все х др уги х, до си х пор использовавшихся на морских плавсредствах движителей, способствовать бурному развитию мирового судостроения в целом.