ВОДОЗАБОРНИК СУДОВОЙ ДВИЖИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1997 года по МПК B63H11/10 B63H11/103 

Изобретение относится к судостроению, а именно к водозаборникам движительных установок судов с водометными и гидрореактивными движителями, гребными винтами. Может быть использовано на быстроходных судах на подводных крыльях, СВП скегового типа, полупогружных, водоизмещающих и глиссирующих судах. Имеет более высокий коэффициент полезного действия. Может быть использовано для конструирования водозаборников с регулируемыми характеристиками.

Известны водозаборники судовых движительных установок, содержащие водоприемный патрубок (водоприемное отверстие)) и проточный трубопровод (водоводную трубу) с поворотными коленами (а.с. N 391004, B 63 H 11/02, СССР, 1973; а.с. N 423702, B 63 H 11/00, СССР, 1974; а.с. N 548486, B 63 H 11/04, СССР, 1977, а.с. N 931588, B 63 H 11/08, СССР, 1982; заявка Японии N 60-35689, B 63 B 39/08, 1985; заявка Японии N 1-50639, B 63 H 11/04, 1989 и др. ). Основной недостаток этих устройств сравнительно небольшой коэффициент полезного действия, не превышающий 0,60.

В качестве прототипа использован водозаборник судовой движительной установки (1, с 170 173, рис. 5.8 и 5.12). Он состоит из водоприемного патрубка (водоприемного отверстия) и проточного трубопровода (водопроводной трубы) с поворотным коленами (одним, двумя).

Недостаток прототипа сравнительно небольшой КПД при скорости хода менее 60 65 узлов.

Для увеличения КПД судовой движительной установки в известном устройстве, содержащем водоприемный патрубок и проточный трубопровод с поворотными коленами, внутри проточного трубопровода перпендикулярно диаметральной плоскости судна размещены по высоте (длине) трубопровода один или несколько цилиндров с возможностью вращения, причем в местах размещения цилиндров цилиндрические поверхности носовой и кормовой частей трубопровода выполнены по форме, соответствующей продольным линиям тока воды при работе установки в режиме крейсерской скорости.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается от прототипа тем, что
внутри проточного трубопровода перпендикулярно диаметральной плоскости судна по высоте трубопровода размещены один или несколько цилиндров с возможностью вращения;
в местах размещения цилиндров цилиндрические поверхности носовой и кормовой частей трубопровода выполнены по форме, соответствующей продольным линиям тока воды при работе установки в режиме крейсерской скорости.

Из близких аналогов рассмотрен водозаборник водометного движителя по а. с. N 391004, B 63 H 11/02, СССР, 1973.

Аналог содержит входной патрубок, проточный трубопровод с поворотными коленами и направляющие лопатки. Здесь конструктивным элементом повышения КПД за счет уменьшения гидравлических потерь служат направляющие лопатки в поворотных коленах. Однако добиться существенного увеличения КПД с их помощью не удается. В заявленном устройстве дополнительно к существующим мерам повышения КПД используется размещение вращающихся цилиндров внутри трубопровода водозаборника.

На фиг. 1 представлено продольное сечение устройства с глубокопогруженной приемной частью, на фиг. 2 водозаборник с малопогруженным водоприемным отверстием. Устройство содержит проточный трубопровод 1, входной патрубок (водоприемное отверстие) 2, направляющие лопатки 3 и 4 в поворотных коленах, движитель (водометный насос, гребной винт и др.) 5, установленный в корпусе судна 6, и цилиндр 7.

Устройство функционирует следующим образом.

При работе движителя 5 и под действием скоростного напора (для фиг. 1) вода поступает во входной патрубок (водоприемное отверстие) 2 и с помощью лопаток 3 направляется к цилиндру 7. При вращении цилиндра 7 в результате эффекта Магнуса на цилиндре возникают подъемная сила (здесь дополнительная сила тяги) и сила сопротивления. В дальнейшем вода движется к направляющим лопаткам 4 и далее к движителю 5.

Дадим оценку эффекта размещения цилиндра (см. фиг. 1 и 2). Пусть имеем судно с водометным движителем (2, с. 208). Скорость судна Y_ос 34 узла, диаметр насоса д 0,91 м, объемный расход воды Q₀ 6 м³/c, упор движителя T₀ 81,4 кН, скорость воды в трубопроводе Y₀ 10 м/с. Примем проходное сечение в месте размещения цилиндра равным 0,6 х 1,0 м, тогда размеры цилиндра будут: длина l 0,6 м, диаметр D_ц 0,3 м.

Подъемная сила и сила сопротивления на цилиндре будут

Здесь S l•D_ц площадь диаметральной плоскости цилиндра;
C_y коэффициент подъемной силы (в изолированном состоянии C_y 8.15).

C_x коэффициент сопротивления цилиндра.

Примем с учетом стесненности потока в районе работы цилиндра Cy 3,0 и Cx 0,5•Cy 1,5. Возможно, что реальные значения коэффициентов окажутся существенно выше. В этом случае получим

На вращение цилиндра требуется в среднем 7,5% от подъемной силы, что равносильно снижению упора движителя на величину, равную

Учитывая взаимодействие потоков в трубопроводе (вращательного и поступательного) с целью снижения до минимума сопротивления трения носовая и кормовая части внутри трубопровода выполнены по форме линий тока реальной жидкости для крейсерской скорости судна. Сила P_x приложена через вал цилиндра к обшивке водозаборника, направлена примерно по вертикали вверх и приводит к разгрузке судна. Одновременно при вращении цилиндра повышается скорость движения воды по внутренней поверхности трубопровода, главным образом, в районе размещения цилиндра (примерно на длине 4 5 диаметров цилиндра). Примем, что увеличение трения приведет к повышению необходимого напора насоса Н на 20% по сравнению со случаем, когда цилиндр отсутствует.

Найдем скорость судна с заявленным водозаборником из выражения

КПД движителя определяется по формуле

Разделим КПД предлагаемого водозаборника на КПД прототипа, получим

Здесь η_рк КПД насоса, которое будет считать неизменным.

Представляя в (*) Y 37,2 узла, Т 81,4 + 27 2 106,4 кН, H 1,2 Но, Q Q₀, получим μ 1,19, т. е. при КПД прототипа 0,6 будем иметь новое КПД равным 0,71, что представляет существенное увеличение пропульсивных качеств движителя.

Наибольшая дополнительная сила тяги и КПД возможны при натекании воды на цилиндр под углом 26^o к вертикали. В этом случае равнодействующая сил P_y и P_x будет равна и КПД установки 0,73, где
Оптимальное проектирование устройства, использование нескольких цилиндров позволит получить более высокие пропульсивные характеристики движителей.

Следует ожидать, что работа цилиндров может обеспечить высокую эффективность как в режиме разгона судна, так и на полном ходу, заменив достаточно громоздкие конструкции, реализующие в настоящее время двухрежимную работу движителей быстроходных судов.

Использование: относится к судостроению, а именно водозаборникам движительных установок судов с водометными и гидрореактивными движителями, гребными винтами. Сущность изобретения: водозаборник судовой движительной установки содержит водоприемный патрубок и проточный трубопровод с поворотным коленами. Внутри проточного трубопровода по его высоте, перпендикулярно диаметральной плоскости судна размещены один или несколько цилиндров с возможностью их вращения. В местах размещения цилиндров цилиндрические поверхности носовой и кормовой частей трубопровода выполнены по форме, соответствующей линиям тока воды при работе установки в режиме крейсерской скорости. 2 ил.

Водозаборник судовой движительной установки, размещенный на судне, содержащий водоприемный патрубок и проточный трубопровод с поворотными коленами, отличающийся тем, что внутри проточного трубопровода перпендикулярно диаметральной плоскости судна размещены по высоте трубопровода один или несколько цилиндров с возможностью вращения, причем в местах размещения цилиндров цилиндрические поверхности носовой и кормовой частей трубопровода выполнены по форме, соответствующей продольным линиям тока воды при работе установки в режиме крейсерской скорости.