СУДНО КАШЕВАРОВА Российский патент 1998 года по МПК B63H11/14 B60V3/06 

Изобретение относится к судостроению и касается конструирования на воздушной подушке и на подводных крыльях, а также судов с водо-газовой реактивной двигательно-движительной установкой.

Известно судно, содержащее надводный корпус с двигателями, имеющими топливные танки, устройства для запуска камеры сгорания и компрессоры для формирования воздушной подушки между днищем надводного корпуса, бортами и верхними поверхностями носового и кормового крыльев (см. а.с. СССР N 255071, Кл. B 60 V 3/06, 1967).

Недостатком известного судна является его низкие эксплуатационные качества и длительный срок окупаемости затрат на его строительство.

Цель изобретения - повышение эксплуатационных качеств судна и сокращение срока окупаемости затрат на его строительство.

Поставленная цель достигается тем, что каждое крыло выполнено с размещенным в нем водо-газовым реактивным движительно-нагнетательным прямоточным каналом, сообщенным с соответствующим из упомянутых двигателей, при этом топливные танки размещены внутри упомянутых крыльев.

Кроме того, каждый из упомянутых двигателей выполнен с куполообразной камерой, имеющей распложенный в ней куполообразный оголовник, внутри которого в центре размещена камера сгорания этого двигателя, которая выполнена сферической, причем его компрессор сообщен трубкой, перекрытой клапаном, с куполообразной камерой, которая сообщена с камерой сгорания посредством трубок с автоматически открывающимися клапанами, при этом двигатель выполнен со сферической стартовой камерой горловинами сообщенной с камерой сгорания и упомянутым прямоточным каналом, причем этот канал выполнен с соосно размещенным в нем водоприемным патрубком, образующим снаружи кольцевой зазор с этим прямоточным каналом, площадь поперечного сечения которого равна площади критического сечения горловины, сообщающей сферическую стартовую камеру с упомянутым прямоточным каналом, при этом сферическая стартовая камера выполнена с устройством для заполнения ее водой и устройством для парообразования, при этом камера сгорания облицована жаропрочным сплавом, а все рабочие поверхности двигателя выполнены с теплоизолирующим покрытием.

Кроме того, устройство для запуска каждого двигателя выполнено с сообщенными между собой шаровой бензиновой камерой и шаровой камерой сжатого воздуха, а шаровая бензиновая камера сообщена с упомянутой камерой сгорания трубкой, имеющей клапан и форсунку со свечой электрозажигания.

Кроме того, каждый топливный танк выполнен с эластичной полой оболочкой, имеющей объем, равный половине емкости танка, закрепленного по периметру средней линии боковых стенок танка и отделяющей верхнюю часть танка, заполненную азотом под избыточным давлением, с перфорированными трубами для его подачи, закрепленными на потолке этого танка, от нижней его части, заполненной топливом, с перфорированными трубами для его подачи, закрепленными на дне этого танка.

Кроме того, упомянутое устройство для парообразования в стартовой камере выполнено с трубками и форсунками, размещенными в нижней части этой камеры и сообщенными с насосами для подачи воды в эти трубки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 дан общий вид судна сбоку, на фиг. 2 - разрез АА фиг. 1; на фиг. 3 - вид судна снизу; на фиг. 4 - разрез ББ фиг. 3; на фиг. 5 - разрез ББ фиг. 3 в увеличенном виде по сравнению с фиг. 3; на фиг. 6 - разрез ВВ фиг. 3 в увеличенном виде, на фиг. 7 - узел Г фиг. 5 в увеличенном виде; на фиг. 8 - узел Д фиг. 2 правого борта судна в увеличенном виде по сравнению с фиг. 1 с указанием стравливающего клапана с его приводом; на фиг. 9 - узел Е фиг. 4 в увеличенном виде по сравнению с фиг. 3.

Судно (фиг. 1, 2, 3 и 4) имеет надводный корпус 1 и два надводных крыла носовое 2 и кормовое 3, соединенные между собой и с надводным корпусом 1 общим корпусом 4 воздушной подушки. В надводном корпусе 1 расположены каюты пассажиров и экипажа, служебные и бытовые помещения, а также реактивные двигатели и технические устройства необходимые для эксплуатации судна.

Двигатели (фиг. 5 и 6) имеют куполообразную камеру сгорания 5 (фиг. 5) с куполообразной камерой 6 в куполообразном оголовнике 7. В камере сгорания 5, которая выполнена сферической, установлена форсунка 8, к которой подведена трубка 9 с дизельным топливом, форсунка 10 факельного типа с электросвечой зажигания (фиг. 7), к которой подведена трубка 11 от шаровой камеры 12 с бензином, соединенной с шаровой камерой 13, заполненной сжатым воздухом. Трубки 9 и 11 перекрыты клапанами 14 и 15.

Куполообразная камера 6 соединена с компрессором 16 патрубком 17 с клапаном 18, и с камерой сгорания 5 трубками 19 с клапанами 20, которые открываются, если в камере 5 давление газов будет меньше, чем в камере 6.

Камера сгорания 6 имеет горловину 21, которой она соединена с сферической стартовой камерой 22, имеющей патрубок 23 выпуска выхлопных газов, перекрытый клапаном 24, и форсунки 25 с трубками 26 от насоса 27, соединенного с забортной водой патрубком 28. Клапаны 14, 15, 18 и 24 управляются компьютером (на фиг. не показан).

Камера 22 имеет горловину 29, которая соединяет ее с трубой 30. В трубу 30 вставлена труба 31 с зазором, площадь которого равна площади наименьшего сечения горловины 29. Трубы 30 и 31 вместе со стартовой камерой 22 образуют водо-газовый движительно-нагнетательный прямоточный канал судна. Все поверхности деталей двигателя, соприкасающиеся с раскаленными выхлопными газами, покрыты термоизоляционным слоем 32, изображенным на чертежах крестообразной штриховкой. Камера 5 имеет внутренний жаропрочный теплоемкий слой
В крыльях 2 и 3 находятся топливные танки 33 (фиг. 6), заполняемые дизельным топливом. Танки 33 имеют эластичную полую оболочку 34, объем которой равен половине емкости танка 33, размещенную в нем так, что края оболочки 34 соединены (приклеены) к внутренней поверхности танка 33 по средней линии 35 его боковых сторон. По двугранным углам потолка и наибольшим из сторон танка 33 проходят две трубы 36, перфорированные отверстиями, через которые в танк 33 поступает азот под избыточным давлением в 0,5 атмосферы из баллонов 37.

По перфорированным отверстиями трубам 38, проложенными на дне танка 33, поступает дизельное топливо в камеру сгорания 5 через трубку 9.

На фиг. 6 левый танк 33 заполнен азотом, обозначенным буквой "А", правый танк (относительно камеры 22) заполнен дизельным топливом, обозначенным буквой "Т". В оборванных изображениях танков 33 справа и слева дано положение оболочки 34 при частичном заполнении танка топливом и азотом.

Корпус 4 оконтуривает замкнутое пространство 39 воздушной подушки бортами 40, потолком 41, носовой и кормовой стенками 42.

Пространство 39 имеет избыточное давление, действующее на водную поверхность между крыльями 2 и 3 и бортами 40 судна. Это и избыточное давление в 0,1-0,2 кг/см² создает главную часть подъемной силы судна во время его движения. Так, например, при избыточном давлении в 0,1 кг на квадратный сантиметр и площади опорной поверхности потолка 41, равной 150м x 100 м= 15000 м² подъемная сила избыточного давления будет равна 15000 тонн.

Во время движения судна к этой статической подъемной силе может добавиться еще 5-10 тыс. тонн подъемной гидродинамической силы, создаваемой нижней поверхностью крыльев 2 и 3. Избыточное давление, например, в 0,1 кг/см² определяет осадку бортов 40 судна ниже наружного уровня воды на Q+X, где Q в данном случае будет равно 1 м, а X определяет разность уровня воды в пространстве 39 и нижней поверхностью загнутого края 43 бортов 40. Расстояние Q+X должно быть меньше впадины между волнами (относительно спокойного уровня воды), при которых еще допустимо движение судна, т.к. при большей величине впадины воздух, сжатый избыточным давлением, будет выходить из пространства 39 через впадину между волнами.

Избыточное давление в пространстве 39 во время движения или стоянки судна может быть уменьшено открытием клапана 44, перекрывающего трубу 45, с помощью электродвигателя 46. Во время движения уменьшение избыточного давления производится с целью экстренного или аварийного торможения. Увеличение давления производится включением компрессора 16 на стоянке судна, подающего сжатый воздух по трубе 47, перекрываемой клапаном 48, и включением носовых двигателей 49 при движении судна, выхлопные газы которых поступают в пространство 39.

Камера сгорания 5 (фиг. 7) имеет теплоизолирующий слой 32 который находится между металлическим оголовником 7 и сферической оболочкой 51, выполненной из жаропрочного сплава с теплоемкостью, достаточной для подогрева воздуха, поступающего по трубкам 19, до температуры воспламенения дизельного топлива. Для воспламенения бензина вспрыскиваемого форсункой 10 для запуска холодного двигателя в камере 5 установлена электросвеча 52.

Для защиты крыльев и движителей при швартовании и буксировке судна оно имеет передний 53 и задний 54 бамберги подобно тем, какие устанавливаются на автомобилях.

Работа двигателей судна начинается включением программы "пуск" на компьютере, управляющим работой всех механизмов судна. Перед включением этой программы предполагается, что стартовая камера 22 заполнена водой до уровня клапана 24, который закрыт, а судно или неподвижно, или после его буксировки движется с малой скоростью вперед в положении, при котором корпус надводного крыла 1 находится в воде не ниже грузовой ватерлинии.

В первый момент включения программы "пуск" запускается компрессор 16. После того как он начнет устойчиво работать открывается клапан 18 патрубка 17, через который сжатый воздух начинает поступать в камеру 6, а через трубки 19 при открытых клапанах 20 в камеру 5. Открывается клапан 15 в результате чего бензин из шаровой камеры 12 под давлением сжатого воздуха шаровой камеры 13 распыляется форсункой 10 в камере сжигания и поджигается электросвечой 52 в виде факела. Горение факела поддерживается поступлением сжатого воздуха из камеры 6, в которой давление будет больше чем в камере 5, а в камере 5 оно будет достаточным в конце горения факела для воспламенения дизельного топлива.

Момент включения форсунки 8, через которую производится впрыск дизельного топлива в камеру сгорания, определяется по времени от включения электросвечи 52 зажигания (или открытия клапана 15). С включением в работу форсунки 8 закрывается клапан 15, происходит воспламенение дизельного топлива, давление в камере поднимается в 6-8 раз, клапаны 20 закрываются, через горловину 21 газы поступают в стартовую камеру 22 и резко повышают давление над водой, заполняющей эту камеру, которое до этого момента было равно давлению воспламенения дизельного горючего, созданного бензиновым факелом.

Вода из камеры 22 устремится через горловину 29 в зазор между трубами 30 и 31 и создаст течение в трубе 30 в сторону, противоположную направлению движения судна, увлекая своим движением воду, поступающую из трубы 31. С этого момента, начинается работа камеры сгорания 5 в форсированном режиме, который формируется повышением давления воздуха, подаваемым компрессором 16 до предельного значения (определяемого возникновением детонации) и повышением частоты работы форсунки 8. Форсированный режим работы камеры сгорания 5 позволит увеличить тягу двигателей и, тем самым, уменьшить время подъема надводного корпуса 1 над водой и выхода судна на крейсерскую скорость. При этом форсированный режим работы камеры сгорания 5 заменяется на нормальный.

Еще при форсированном режиме вся вода из стартовой камеры 22 будет вытеснена выхлопными газами в зазор между трубами 30 и 31, и в этот зазор будут поступать выхлопные газы. В этот момент включается насос 27, и через форсунки 25 в нижнюю часть камеры 22 начнет поступать вода в таком количестве, что температура выхлопных газов вместе с паром от испарения воды, поступающих в зазор между трубами 30 и 31, будет снижена до 100^oC. За счет пара, образовавшегося от воздействия горячих (с температурой до 500^oC) выхлопных газов на воду, распыляемую форсунками 25, увеличится объем и давление смеси выхлопных газов и пара, которое увеличит КПД двигателя.

Изменение курса движения судна производится путем изменения частоты работы камеры сгорания 5 двигателей левой стороны по отношению к двигателям правой стороны. Это изменение производит компьютер, в который поступают электросигналы от прибора курса, установленного на капитанском мостике.

Торможение судна производится за счет прекращения работы двигателей, в результате чего судно погрузится в воду до ватерлинии и за короткое время потеряет скорость. Командой на торможение открывается клапан 44, давление в камере 39 снижается до атмосферного и она заполняется водой.

Движение судна с большей скоростью подобно движению глиссера поддерживается подъемной силой, обусловленной динамической реакцией воды на нижние плоскости крыльев 2 и 3, которые как бы скользят по поверхности воды. Этому скольжению крыльев 2 и 3 содействует гидростатическое давление, создаваемое выхлопными газами реактивных двигателей и движителей установленных в носовом крыле 2, которые поступают в замкнутое пространство 39 воздушной подушки под дном 41 судна. При этом избыток выхлопных газов проходит под плоскостью крыла 3 уменьшая его трение о воду, а давление газов в камере 39 понижает уровень воды перед крылом 3, уменьшая лобовое сопротивление воды движению крыла. Положительное значение имеет и то, что при большей скорости движения, практически, отсутствует аэродинамическое сопротивление движению передней стенки крыла 3, т.к. в замкнутом пространстве 39 сжатые выхлопные газы движутся вместе с судном со скоростью, равной скорости движения крыла 3.

Положительный эффект глиссирования заключается в том, что с увеличением скорости движения судна (в каких-то пределах) происходит не увеличение, а уменьшение суммарной силы трения нижней поверхности крыла о поверхность воды, т.к. уменьшается площадь соприкосновения этих поверхностей при глиссировании. По-видимому, положительный эффект глиссирования даст возможность предлагаемой конструкции судна достигнуть таких скоростей, которые недостижимы для известных судов (например, скорости в 200 км/час). Эффект глиссирования позволит существенно (в 2-3 раза) сократить ширину крыльев и, тем самым, уменьшить величину их трения о поверхность воды при больших скоростях движения судна.

Глиссирование крыльев 2 и 3 является новым существенным признаком предлагаемой конструкции судна дающим новый сверхсуммарный результат увеличения эффективности двигателей и движителей судна.

Эффективность работы судна определяется прежде всего КПД работы его двигателей и движителей. КПД водо-газового реактивного двигателя этого судна будет не меньше чем в 2 раза превышать КПД судовых двигателей известных конструкций за счет большего использования температуры воспламенения топлива на полезную работу двигателя. Так в предлагаемом двигателе термоизолирующий слой 32 в несколько раз уменьшит потерю тепла, которую имеет дизель в специально созданной водной системе его охлаждения. К тому же в дизеле выхлопные газы с температурой 500^oC теряются для КПД, а в предлагаемом двигателе большая часть их тепловой энергии используется путем превращения воды (подаваемой форсунками 25) в пар повышения давления и объема выхлопных газов в смеси с паром.

Далее в предлагаемом двигателе нет движущихся силовых частей дизельного двигателя, расходующего часть вырабатываемой энергии на трение. Нет также электрогенератора и электродвигателя, необходимых для передачи энергии от дизеля к гребному винту.

При скорости движения этого судна, равной 100 км/час, предлагаемый прямоточный водно-газовый движительно-нагнетательный канал движителя непрерывного действия судна будет иметь КПД в 2 раза больший, чем КПД гребного винта, КПД которого при таких скоростях менее 50% (без вычитания энергии водного потока, создаваемого движителем в направлении, противоположном направлению движения судна).

Таким образом, КПД силовой установки этого судна будет в 4 раза больше КПД известных судов типа "Комета" с дизельным двигателем, которые могут развивать скорость в 90-100 км/час. В 4 раза большая тяговая сила, развиваемая реактивными двигателями и движителями этого судна по сравнению с известными судами на подводных крыльях при равном расходе топлива двигателями, позволяет развивать судну скорость движения до 100 км/час и иметь радиус действия с одной заправкой топлива в 8-10 раз большей, чем у известных судов с подводными крыльями. Эти качества описываемого судна позволяет создать океанские лайнеры, например, длиной в 200 м и шириной в 150 м, обеспечивающие комфортные условия для размещения 10000 пассажиров с полезной площадью кают и других помещений на 5 палубах воздушно-крылатого судна в 100 тыс. м². Такой лайнер, обладая в 2 раза большей скоростью, чем самые быстроходные из известных, сможет обслужить транспортный поток пассажиров в несколько раз больший, чем любой из известных океанских лайнеров при меньшей стоимости билета для пассажира благодаря большей экономичности работы двигательной и движительной установок.

Отсутствие движущихся силовых узлов в предложенной судовой движительно-двигательной установке и простота ее обслуживания дает основание утверждать, что срок эксплуатации их будет в несколько раз больше, чем известных дизелей и гребных винтов. Простота конструкции и мощность приходящегося на 1 кг веса, более в 10 раз превышающая удельную мощность известных судовых двигателей и движителей, позволяет также утверждать, что срок окупаемости затрат на постройку предлагаемого судна будет в несколько раз меньше, чем известных судов лучших конструкций.

Использование: изобретение относится к судостроению и касается конструирования судов на воздушной подушке и на подводных крыльях, а также судов с водо-газовой реактивной двигательно-движительной установкой. Сущность изобретения: судно сдержит надводный корпус 1 с двигателями 5. Они выполнены с топливными танками, устройством для запуска, камерами 5 сгорания и компрессорами 16 для формирования воздушной подушки под днищем корпуса 1 между его бортами и верхними поверхностями носового 2 и кормового крыльев. Каждое из последних выполнено с размещенными внутри него водо-газовым реактивным движительно-нагнетательным прямоточным каналом, образованным трубой 30, сообщенной с трубой 31 водозаборника. Канал, образованный трубой 30, сообщен с соответствующим ей двигателем 5 посредством сферической стартовой камеры 22. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Судно, содержащее надводный корпус с двигателями, имеющий топливные танки, устройства для запуска, камеры сгорания и компрессоры для формирования воздушной подушки между днищем надводного корпуса, бортами и верхними поверхностями носового и кормового крыльев, отличающееся тем, что каждое крыло выполнено с размещенным в нем водогазовым реактивным движительно-нагнетательным прямоточным каналом, сообщенным с соответствующим из упомянутых двигателей, при этом топливные танки размещены внутри упомянутых крыльев. 2. Судно по п.1, отличающееся тем, что каждый из упомянутых двигателей выполнен с куполообразной камерой, имеющей расположенный в ней куполообразный оголовник, внутри которого в центре размещена камера сгорания этого двигателя, которая выполнена сферической, причем его компрессор сообщен трубкой, перекрытой клапаном, с куполообразной камерой, которая сообщена с камерой сгорания посредством трубок с автоматически открывающимися клапанами, при этом двигатель выполнен со сферической стартовой камерой, горловинами сообщенной с камерой сгорания и упомянутым прямоточным каналом, причем этот канал выполнен с соосно размещенным в нем водоприемным патрубком, образующим снаружи кольцевой зазор с этим прямоточным каналом, площадь поперечного сечения которого равна площади критического сечения горловины, сообщающей сферическую стартовую камеру с упомянутым прямоточным каналом, при этом сферическая стартовая камера выполнена с устройством для заполнения ее водой и устройством для парообразования, при этом камера сгорания облицована жаропрочным сплавом, а все рабочие поверхности двигателя выполнены с теплоизолирующим покрытием. 3. Судно по п.1, отличающееся тем, что устройство для запуска каждого двигателя выполнено с сообщенными между собой шаровой бензиновой камерой и шаровой камерой сжатого воздуха, а шаровая бензиновая камера сообщена с упомянутой камерой сгорания трубкой, имеющей клапан и форсунку со свечой электрозажигания. 4. Судно по п.1, отличающееся тем, что каждый топливный танк выполнен с эластичной полой оболочкой, имеющей объем, равный половине емкости танка, закрепленной по периметру средней линии боковых стенок танка и отделяющей верхнюю часть танка, заполненную азотом под избыточным давлением, с перфорированными трубами для его подачи, закрепленными на потолке этого танка, от нижней его части, заполненной топливом, с перфорированными трубами для его подачи, закрепленными на дне этого танка. 5. Судно по п.1, отличающееся тем, что упомянутое устройство для парообразования в стартовой камере выполнено с трубками и форсунками, размещенными в нижней части этой камеры и сообщенными с насосами для подачи воды в эти трубки.