Гребне колесо

Реферат: Гребне колесо містить послідовно розміщені лопаті, жорстко прикріплені до маточини. При цьому між кожною лопаттю і маточиною розташований і жорстко прикріплений до них пружний елемент. UA 114211 U (12) UA 114211 U UA 114211 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Корисна модель належить до суднобудування, зокрема до судових рушіїв. Одним з найбільш розповсюджених судових рушіїв є гребний гвинт. Він має низку недоліків, як-то: велику силу тертя об воду, відкидання маси води у радіальному напрямку відцентровою силою, відсмоктування води з-під корми, що збільшує опір руху судна. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого технічного рішення є гребне колесо. Воно також має суттєві недоліки: його лопаті, рухаючись у воді під прямим кутом атаки, прослизають у ній, руйнують водне середовище, створюючи вихорову доріжку і віддаючи значну частину енергії судна руху води. Закон збереження імпульсу лежить в основі руху судна за допомогою гребних коліс та гребних гвинтів, які відкидають назад деяку кількість води, створюючи імпульс маси води. По закону збереження імпульсу протилежний імпульс створює судно. Це - 3-й закон Ньютона. Суттєвий недолік такого руху - реактивного - є те, що енергія судна йде не тільки на рух судна, а й на рух води - створення імпульсу струменя, на що витрачається левова частина цієї енергії. Саме тому гребне колесо не дає того технічного результату, а саме - економічності руху судна - порівняно з запропонованим у корисній моделі технічним рішенням. Головний недолік прототипу - жорстке кріплення лопатей до маточини. Задачею корисної моделі є економія палива при пересуванні судна по воді. Суттєва ознака пропонованого пристрою, яка відрізняє його від прототипу, - це введення пружного елемента, який жорстко прикріпляється до лопаті і маточини та розташований між ними. Ця суттєва ознака не є очевидною і не виникає явним чином з сучасного рівня техніки. Вона докорінно змінює закон руху суден, а саме - з 3-го закону на 2-й закон механіки. Доведемо це твердження. Отже, 3-й закон Ньютона (фіг. 1). Тут зображена взаємодія двох пружних тіл m1 і m2 (судна та струменя води), на які діють відповідно імпульси сили Ft та -Ft. Тіла m1 і m2 отримують рух у протилежних напрямах зі швидкостями, обернуто пропорційними їх масам, тобто утворюють відповідні імпульси тіл m1v1 та v2v2. Але імпульси сили Ft та -Ft взаємно знищуються, тому залишаються тільки імпульси тіл: m2v2+m1v1=0, звідки m2v2=m1v1, де m1v1 - імпульс судна; m2v2 - імпульс струменя води. Це - закон збереження імпульсу, реактивний рух. Судно рухається завдяки струменю води. Зробимо перетворення: імпульс m2v2 замінимо на нерухому опору R (фіг. 2). Тепер картина взаємодії тіла кінцевої маси з опорою докорінно змінюється, а саме: імпульс сили -Ft вже не виконує роботи у напрямку нерухомої опори R, тому він, маючи пружний потенціал, розвертається від опори на 180 º, змінює свій знак на позитивний і діє, як і імпульс сили Ft, також на тіло кінцевої маси m1, утворюючи імпульс тіла m1v1. Отримуємо: 2Ft=2m1·v1, тобто 2Ft=m1·2v1, тобто подвійний імпульс сили утворює подвійний імпульс тіла кінцевої маси, тобто імпульс тіла з подвоєною швидкістю. Позначивши 2Ft=Ft та m1·2v1=mv, отримуємо: R 45 50 55 Ft=mv або R Ft=ma, де Ft - повний імпульс сили, який утворює повний імпульс тіла mv. Як відомо, це - 2-й закон механіки, або опорний рух, який тут читається так: пружна сила F, яка діє на тіло m з боку опори R і надає йому прискорення а, називається силою реакції цієї опори (відбивання, віддзеркалення енергії від опори, або відштовхування від неї) (див. "Курс загальної фізики"). Таким чином, можна отримати рух судна, не створюючи реактивного струменя, а використовуючи пружну силу реакції опори води, яка виникає завдяки лобовому опору гребеневої лопаті та пружності пружного елемента. У такому разі майже вся енергія судна буде використана на рух судна, тобто економічність такого руху судна різко зросте. Тепер підберемо власне пружний елемент. Як такий візьмемо балку сталої товщини. Тепер покажемо, яку форму повинна мати така балка. Вимога до неї: балка повинна акумулювати в себе всю енергію взаємодії судна з водою, тобто повинна пружно деформуватись на кожному перерізі її довжини. У такому разі вона буде максимально енергонасиченою пружною напругою при дії на неї згинального моменту. Для цього треба запроектувати таку балку, у всіх поперечних перерізах якої найбільші нормальні напруги, які виникають від заданого 1 UA 114211 U навантаження, будуть однакові. Такій вимозі відповідає балка рівного опору на вигин: вона найбільш деформована від дії на неї вигинального моменту. Умову, яка визначає форму такої балки, отримаємо з умови міцності: 5 max  const  M x   , W x  звідки маємо: W x   10 15 M x  ,  (1) Тобто у балки рівного опору момент опору даного перерізу повинен бути прямо пропорційним вигинальному моменту в цьому перерізі. Розглянемо консольну балку довжиною l прямокутного перерізу сталої висоти h та змінної ширини b(х), завантажену силою F. Знайдемо закон зміни ширини перерізу балки b(х) з умови рівноміцності. Визначимо закон зміни вигинального моменту та побудуємо його епюру по довжині балки (фіг. 3): M x   F  x, (2) Момент опору прямокутного перерізу у загальному вигляді: 20 W  b  h2 , 6 У нашому випадку: W  x   2 bx   h 0 6 , 25 Значення b( x ) знайдемо з умови (1). Звідки, враховуючи (2): W  x   2 bx   h 0 6  M  x  ,  30 де b( x )  35 40 45 6 2 h0  Fx ,  при x=0-b(0)=0; при x=1-b(1)=b0, де b0 - ширина перерізу у небезпечній точці. Як бачимо, ширина цієї балки повинна змінюватись по лінійному закону по довжині балки. Балка рівного опору на вигин (фіг. 4) має в зоні, розташованій біля правого кінця, дуже малу площу поперечного перерізу. Тому у цій зоні балки від поперечної сили F виникнуть великі дотичні напруги, які перевищують максимально припустимі. Для цього площа поперечного перерізу балки біля її правого кінця не повинна дорівнювати нулю (див. "Опір матеріалів"). Таким чином, ми довели, що пружний елемент пропонованого пристрою - балка, яка поєднує лопать і маточину гребного колеса, повинна бути сталої товщини та мати форму трапеції в плані, доволі подовжену по висоті, широкою основою якої балка жорстко прикріпляється до маточини, а вузькою жорстко прикріпляється до лопаті, при цьому площина балки повинна лежати у площині лопаті. Кількість лопатей рушія повинна дорівнювати двом. Така вимога обумовлена тим, що кожна лопать повинна працювати у незбуреному потоці води, не заважаючи одна одній: лопать занурюється у воду не раніше, ніж вийде з води попередня. Це можливо, коли обидві лопаті º розташовані під кутом 180 одна до одної. Таке розташування дає можливість кожному 2 UA 114211 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 пружному елементу накопичити пружну енергію у воді від дії згинального моменту на лопать та віддати цю енергію через маточину самому судну. Тут має місце взаємодія опорних (лобовий опір лопаті), пружних (через пружну балку) та інерційних (маса судна) сил. У часовому інтервалі між ударами лопатей по воді судно рухається по інерції. Аналог такої взаємодії - пружна куля, падаючи з висоти на тверду поверхню, пружно деформується та віддає свою пружну енергію своїй власній масі, підскакуючи майже на колишню висоту. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, на яких зображено: фіг. 1 - взаємодія двох пружних тіл конечної маси - 3-й закон Ньютона, реактивний рух; фіг. 2 - взаємодія пружного тіла конечної маси з нерухомою опорою - 2-й закон механіки, опорний рух; фіг. 3 - епюра нормальних напруг в перерізах консольних балок - сталого перерізу та рівного опору - від дії на них згинального моменту; у першому випадку нормальні напруги зменшуються до нуля по довжині балки, у другому - ці напруги сталі; фіг. 4 - зміна ширини балки рівного опору на вигин по її довжині: від опорного перерізу до кінцевого ширина зменшується до нуля; фіг. 5 - судно з гребними колесами, вигляд спереду; гребне колесо містить лопать 1, жорстко прикріплену до вузької основи пружної балки 2, яка своєю широкою основою жорстко прикріплена до маточини 3 ведучого вала 4; також зображені педалі для ніг 5 та корпус судна (катамарана) 6; фіг. 6 - послідовні положення 1-2-3 лопатей та пружних елементів при накопиченні та віддачі пружної енергії судну, вигляд збоку; відбувається відштовхування судна через лопаті, пружні елементи та маточини від суцільного середовища - води. Гребне колесо працює у такий спосіб. Зусилля на лопать 1 подаються через пружну балку 2, маточину 3, ведучий вал 4 від педалей 5. Лопать занурюється у воду, на ній виникає лобовий опір X, що є опорою води R (фіг. 2), яка на відстані від центра тиску на лопать до центра маточини утворює згинальний момент М, який деформує пружну балку 2, при цьому відбувається накопичення пружної енергії. В нижній точці швидкість руху педалей уповільнюється, що дає можливість гребеневому колесу через пружний елемент - балку 2 віддати накопичену пружну енергію руху судна. На фіг. 2 показані три послідовні положення лопаті та балки при деформації та вивільненні пружної енергії на рух судна, при цьому прослизання лопаті відносно води майже немає. Корисна модель втілена у життя, випробувана на воді і дала задовільний результат. Оскільки гребний гвинт, який віддзеркалює сучасний рівень техніки, набагато ефективніший за прототип - гребного колеса, то і були проведені порівняльні випробовування гребного гвинта та гребного колеса. Гребний гвинт (з алюмінію) був розташований на судні - легкому (з алюм.) катамарані з педальним приводом. Діаметр гвинта - 250 мм; при обертах педалей 5 за 1 сек. гвинт робив 12 об./сек. або 720 об./хв. Швидкість судна становила 3 км/год. На цьому ж судні замість гребного гвинта були встановлені два гребні колеса по бортах. Лопаті виготовлені з алюмінію, пружні балки - з склотекстоліту, решта деталей - сталеві. Розміри лопаті та балки визначались дослідним шляхом. При подаванні на педалі тієї ж потужності швидкість судна становила 7 км/год. Підняття гребних коліс на 400 мм істотно не вплинуло на результат. Вважаємо, що це не межа - при ретельному визначенні площі лопаті, розмірів, матеріалу та пружності балки результат може бути значно поліпшений при тій же потужності на педалях. Корисну модель рекомендується використовувати у суднобудуванні з метою економії палива, особливо на вантажних судах (баржах), розташувавши гребні колеса за кормою. Пристрій можна встановлювати і на малих судах у базах відпочинку. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Гребне колесо, яке містить послідовно розміщені лопаті, жорстко прикріплені до маточини, яке відрізняється тим, що між кожною лопаттю і маточиною розташований і жорстко прикріплений до них пружний елемент. 2. Колесо за п. 1, яке відрізняється тим, що пружний елемент виконано у вигляді балки сталої товщини за формою трапеції, прикріпленої широкою основою до маточини, а вузькою - до лопаті, причому площина цієї балки лежить у площині лопаті. 3. Колесо за п. 2, яке відрізняється тим, що балка виконана з склотекстоліту. 4. Колесо за п. 1, яке відрізняється тим, що кількість лопатей дорівнює двом, причому вони розташовані під кутом 180º одна до одної. 3 UA 114211 U UA 114211 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5