Кормовий прямоточний гідрореактивний рушій колодізєва

Изобретение относится к судостроению и касается преимущественно конструирования кормовых двигателей и движителей для полностью погруженных в гидросреду судов. Известно, что наибольшим (пока) пропульсивным коэффициентом на старте обладают винтовые (насосные) типы движителей. Однако их эффективность с увеличением скорости движения судна падает. Известны также безвинтовые тепловые прямоточные гидрореактивные двигатели, обладающие достаточно высоким пропульсивным коэффициентом, но при использовании их на транспортных средствах уже имеющих определенную скорость движения. И вот уже на протяжении нескольких десятилетий ведущими специализирующимися судостроительными фирмами мира ведется поиск конструкции гидрореактивного двигателя, обладающего достоинствами тех и других названных типов движителей и свободных от их недостатков. Этой же цели посвящено и предлагаемое изобретение. Которое создано в порядке примера реализации изобретения "Способ создания тяги в воде". В качестве прототипа выбран патент Японии, кл. B63H19/00, B63G8/08, B63H11/04, H01F7/22, H02K44/04, опубл. 86.08.22, №2 929 (Электромагнитный движитель судна). В прототипе -электромагнитном гидрореактивном движителе прямоточного типа, так же как в водомете или при гребном винте во время работы (особенно при больших нагрузках), увеличивается скорость обтекания водой кормовой части судна, вследствие чего, там понижается давление. Уменьшение давления, в свою очередь, приводит к появлению дополнительной силы, действующей на корпус в направлении, обратном направлению движения судна, и следовательно ведет к увеличению сопротивления, т.е. появлению силы засасывания. Наличие силы засасывания, при данных условиях, приводит к тому, что для обеспечения заданной скорости, пропульсивная установка должна создавать реактивную силу, большую по величине, чем буксировочное усилие у судна без движителя. При этом эффект указанного недостатка с увеличением скорости потока и его мощность растет. Далее, отбрасываемая движителем (прототипа) рабочая струя имеет цилиндрическую форму (по наружной периферической поверхности), аналогичную форме струи отбрасываемой винтом без насадки. А так как известно, что КПД винта (теоретический!) немногим более 70%, то и пропульсивный коэффициент прототипа - электромагнитного, с использованием сверхпроводимости, движителя также будет небольшим. Значительное увеличение КПД движителя (системы движителей) работающего в воде может быть достигнуто только с помощью наукоемкой конструкции, вырабатывающей принципиально новую форму стр уи. Это должна быть более сложная, (близкая к идеальной), многослойная (с кон-центричне расположенными потоками) гидрореактивная струя, с изменяющимся (как в радиальном, так и в продольном направлениях) полем скоростей, Где гидропоток с максимальной скоростью находится в центре, а минимальные на периферии (см. описание изобретения "Способ создания тяги в воде"). Форма и структура отбрасываемой движителем рабочей струи является одним из основных, определяющих для величины пропульсивного коэффициента судна элементом. Поэтому в последние годы стали появляться все чаще даже специально разрабатываемые устройства для формирования водного потока за кормой судна. См., например, (19) Японии, МКИ 4 B63H5/06, 1/28, B63H5/08, (11) Заявка №60 30598, (44) Публикация 85.07.17, №2 - 765, (54) Устройство для формирования водного потока за кормой судна. А также (19) ГДР, (11) Экономический патент №238772, МКИ 4 B63B1/40, F15D1/12, (44) Публикация 86.09.03 №36, (54) Устройство для отсасывания пограничного слоя в кормовой части судна. А также (19) США, (11) Патент №4 571 192, МКИ 4 B63G8/08, (44) Публикация 86.02.18, 1063 №3, (54) Самоходный аппарат. И др. В последнем (США) изобретении уже сам движитель отсасывает значительную часть пограничного слоя с задней стороны аппарата (судна), чтобы уменьшить сопротивление его движению. Но диаметр движителя равен примерно половине диаметра корпуса аппарата. Этого недостаточно. Существенным недостатком этого прототипа является также то, что здесь применяется механический движитель вращающееся устройство в "виде приводного диска с радиально проходящими лопастями". В развитие идей и конструктивных разработок (выполненных на изобретательском уровне), содержащихся в изобретении "Способ создания тяги в воде", и с целью создания принципиально новой (базовой), наукоемкой конструктивной формы, позволяющей использовать различные высокоэффективные способы и устройства преобразования энергии в тяговое усилие, снижения гидродинамического сопротивления и устраняющей отмеченные у прототипа недостатки, и предлагается прямоточный гидрореактивный движитель. При этом на примерах демонстрируется возможность на базе предложенной конструкции осуществлять различные варианты комбинаций. В том числе рассмотрен пример совместного выполнения теплового, гидрореактивного двигателя с прямоточным электромагнитным, канального типа, т.е. комбинированным движителем, использующим также другие способы и устройства создания тяги и уменьшения гидродинамического сопротивления судна и элементов движителя. Предлагаемая конструкция движителя имеет относительно большое гидравлическое Сечение движителя, превосходящее диаметр корпуса судна несущего движитель. Движитель сопряжен с корпусом судна таким образом, чтобы часть (кормовая) общей силы гидросопротивления корпуса судна, например 1/3 его длины, переводилась из разряда внешних по отношению к окружающей гидросреде сил, в разряд сил, внутреннего взаимодействия корпуса с движителем (путем преображения пространства их сопряжения в один из каналов многоканального прямоточного движителя). И еще очень важным преимуществом в предлагаемом движителе является то, что в водозаборном устройстве вектор сил засасывания не будет располагаться в зоне действия касательных напряжений корпуса судна и, следовательно, силы подсоса будут использоваться уже как положительные, увеличивающие тягу движителя, в том числе способствуя улучшению формы и структуры отбрасываемого рабочего потока. За счет чего значительно увеличивается диаметр и эффективность отбрасываемой гидрореактивной струи. Также весьма важным преимуществом предлагаемой наукоемкой конструкции движителя, выполненного совместно с двигателем, является то, что создается возможность использовать в ней перспективные разработки мировых специализированных центров (фирм) в области создания и использования высокоэффективных, высококалорийных видов топлива (основанных не на нефтепродуктах). А также использовать перспективные разработки специализированных фирм в области создания и использования высокоэффективных электромагнитных систем, например использующи х эффект сверхпроводимости. В предлагаемой конструкции (варианты базовых форм) могут быть использованы также другие перспективные разработки, например, электромагнитных, электроразрядных способов и устройств создания и наращивания тяги, и уменьшающие силы 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 только в определенные моменты, например на режиме разгона, т.е. выхода транспортного средства на крыльях. Кормовой, прямоточный, гидрореактивный двигатель, выполненный совместно с движителем, включает (см. фиг.1, 2, 3, 4): 1 - корпус судна (кормовая его часть, к которой крепятся и прилегают элементы движителя); 2 - камера сгорания топлива; 3 - зарубашечное пространство, в котором происходит интенсивный подогрев и ускорение движения забортной воды за счет утилизации тепла, формы, конфигурации камеры сгорания и облегающего ее зарубашечного пространства; 4 система высокотемпературных, высоконапорных сопел; 5 - камера смешения, переходящая в диффузор, служащий для превращения тепловой энергии в кинетическую; 6 - смеситель, служащий для наращивания массы рабочего тела путем подвода забортной среды к парогазовому потоку, движущемуся в диффузоре; 7 система соосных, кольцевых, конусообразных обечаек, представляющих собой весьма важные конструктивные элементы движителя. В полостях обечаек располагаются различные коммуникации и составные элементы тороидальных электромагнитных систем, использующих, например, сверхпроводимость; 8 - опоры-энергопроводы, с помощью которых обечайки соединены между собой и крепятся к корпусу судна. Одновременно служащие основанием для крепления на них (через изоляционные прокладки) электродов; 9 - диффузор, где тепловая энергия переходит в кинетическую; 10 - электроды; 11 место расположения устройств, способствующих уменьшению гидродинамического сопротивления. На схематическом чертеже (фиг.1) изображен продольный разрез движителя (вариант без теплового двигателя). Разрез проходит по опорамэнергопроводам, с целью большей наглядности в показе путей прохождения различных коммуникаций. На схематическом чертеже (фиг.2) изображен продольный разрез прямоточного электромагнитного гидрореактивного движителя (со снятыми электродами), выполненного совместно или в комбинации с тепловым гидрореактивным двигателем. На схематическом чертеже (фиг.3) изображен продольный разрез предложенной конструкции движителя, выполненного совместно с тепловым двигателем. Дополнительно дана фиг.4 (в цветном изображении), где сделана попытка с помощью цветов показать процесс суммирования или наложения "диффузорной" струи, т.е. выработанной тепловым двигателем и гидрореактивным потоком (кольцевыми струями) исходящим из кормовых кольцевых насадок и которые как бы запирают "диффузорную" струю. Вариант предложенного изобретения без теплового двигателя является вариантом кондукционного движителя, способного работать в комбинации или с использованием других способов и устройств по созданию гидрореактивной тяги, а также снижению гидродинамического сопротивления в пристенных областях. Этот вариант движителя представляет собой определенным, целесообразным образом скомпанованную систему магнитогидродинамических, кондукционных элементов, устройств канального типа. Использует в качестве рабочего тела забортную воду. Конструктивно движитель представляет собой систему секторообразных каналов, каждый из которых состоит, как минимум, из двух изоляционных (например стенок обечаек) и двух проводящих стенок (электродов). При подаче от источника постоянного тока напряжения к парным электродам, выполненным в виде пластин обтекаемой формы и закрепленных на опорах-энергопроводах, через морскую воду в канале, образованном помимо упомянутых парных электродов еще и обечайками (или корпусом судна и обечайкой), потечет ток. Плотность тока определяется (по закону Ома) для движущи хся сред. В результате воде сообщается механическая энергия, которая и будет расходоваться на создание силы тяги и покрытие гидродинамических потерь. Таким образом гидродинамический поток 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 др уга. Так как к каждой опоре-энергопроводу через изоляционные прокладки с двух сторон крепятся одноименные электроды, принадлежащие двум различным (соседним) каналам, то каждый электрод работает как бы "спиной" к опоре. Один из вариантов предложенного изобретения (фиг.2, 3, 4) представляет собой конструкцию теплового гидрореактивного двигателя, могущего работать, например, на гидрореагирующем топливе (натрий, калий, алюминий и проч.) или на экологически более чистом водородном топливе. Указанный двигатель выполнен совместно с кондукци-онным движителем канального типа. Эта (комбинированная) конструкция позволяет использовать одновременно еще и другие эффективные способы и устройства по созданию гидрореактивной тяги и снижению гидрореактивного сопротивления в пристенных областях. В создании и формировании как бы итоговой, кормовой рабочей струи участвуют главным образом три рода сил (проявляя себя через порождаемые ими гидропотоки): а) эжектирующая паро-газо-водяная струя, исходящая из диффузора. Она ударяется в кольцевые струи, исходящие (под углом к ней) из кольцевых каналов, сжимающих и как бы запирающих "диффузорную", не давая ей прорваться за пределы системы кольцевых насадок; 6) кольцевые гидрореактивные струи, создаваемые электро-, гидронасосами-насадками (или кондукционным движителем) в комбинации с другими способами и устройствами наращивающими тягу и ослабляющими силы сцепления пристенного слоя воды с поверхностями канала и усиливающими поток, формируя и способствуя раскрытию центрального пучка струй; в) набегающий поток, усиленный струями, исходящими из носового гидрореактивного движителя (и други х движительных элементов), "влетает", вталкивается и одновременно всасывается во входные (прием-ные) кольцевые каналы кормового гидрореактивного движителя, но попутно еще больше усиливая движение "спутного" потока, охватывающего движитель и увеличивая его гидравлический диаметр. Все эти три рода сил, формируя итоговую кормовую упорную струю как бы накладываются друг на др уга, содействуя усилению друг др уга, создавая определенные гарантии устойчивой работы движителя. Предлагаемое изобретение на основе базовых конструкций позволяет использовать одновременно несколько способов создания или увеличения тяги, а также способов и устройств, уменьшающих гидродинамическое сопротивление в пристенных областях. Помимо уже упомянутых, рассмотрим еще несколько примеров. В предложенной конструкции кормового движителя, а именно в носовой части каждой обечайки, может быть использовано устройство для реализации способа снижения гидродинамического сопротивления движению тела, путем уменьшения сил трения в пограничном слое за счет подачи в пограничный слой высокомолекулярных составов. Сделав в указанных местах соответствующие отверстия для выброса рабочего вещества, подводимого к отверстиям с помощью соответствующих коммуникационных кабелей (трубопроводов). В той же зоне движителя может быть использован, аналогичный способ (в том числе и в комбинации с предыдущим), т.е. с применением электроэнергии. ("Способ снижения гидродинамического сопротивления движению тела". А.с. №364493, кл. B63B1/34, (19) СССР, Опубл. 28.12.72, Бюл. №5, 1973. Авторы изобретения Повх И.Л., Ступин А.Б. и другие. Заявитель Донецкий государственный университет). Также могут быть использованы различные способы наращивания импульса движения, например предусматривающие для этой цели использование электроимпульсных разрядов в воде. Электроразрядные электроды при этом могут, например, располагаться на всех кормовых опорах-энергопроводах, в хвостовой их части. Далее, на участке (длине) судна, который расположен непосредственно перед тем, который охвачен обечайками, может располагаться зона движителя (конструкции эти в отдельности известны) с внешним магнитным полем. В этом движителе (движительной поверхности) взаимно перпендикулярные магнитные и электрические поля, создаются в морской воде вокруг судна. В результате уменьшаются гидродинамические потери. Магнитное поле также будет способствовать снижению сопротивления движению благодаря ламинаризации течения гидросреды в пограничном слое. Таким образом предложенная конструкция движителя весьма емка как по представляемой ею возможности использования различных электропотребляющих способов и устройств, способствующих ускорению движения гидросреды в омываемых пристенных областях, так и по возможностям ее дальнейшего совершенствования. Так как заложенные в ней высокопотенциальные, базовые конструктивные формы предложенной конструкции (и ее варианты), выполненные на изобретательском уровне, весьма перспективны и открывают широкие возможности для развития сравнительно нового класса наукоемких гидрореактивных движителей. Движителей, которые впитав в себя самые передовые научные идеи и технологии в области создания высокоэффективных способов и устройств преобразования энергии в тяговое усилие и снижения гидродинамического сопротивления достигают высоких КПД и прочих технико-экономических показателей. И благодаря этому выводят судостроение в целом на новую ступень развития и совершенствования.