СУДОВОЕ ГРЕБНОЕ КОЛЕСО "ВАСЯ" Российский патент 1998 года по МПК B63H1/04 

Изобретение относится к области водных транспортных средств, а более конкретно, к движителям быстроходных судов с динамическим принципом поддержания.

Известен движитель для быстроходных транспортных средств, содержащий закрепленные на валу лопасти, причем диск вращения лопастей расположен наклонно к поверхности воды, а вал установлен наклонно в плоскости шпангоута и имеет привод вращения (см. а.с. СССР N 312788 от 06.04.61 г. МКЛ. B 63 B 1/28, B 63 H 1/28, B 63 H 1/02, опубл. 31.08.61 г.).

Этот движитель позволяет развивать высокие скорости движения при сравнительно небольшой потребляемой мощности, однако недостаточно надежен в работе из-за высоких нагрузок, приходящих на лопасти, следствием чего являются частые поломки лопастей.

Известен также судовой движитель, содержащий установленное на валу широкое колесо, представляющее собой плавучее тело, на поверхности которого выполнены ребра, направленные под углом к центру колеса и от переднего участка до заднего и наклонные вниз и назад (см. патент США N 4348195 МКЛ. B 63 H 1/38 от 10.05.79 г., опубл. 07.09.82).

Этот движитель предпочтителен для судов типа амфибий, и он позволяет развивать достаточную для амфибий скорость движения по воде, однако по-существу ребра, имеющиеся в этом движителе, работают как лопасти винта, и, следовательно, ему присущи все недостатки винтовых движителей, связанных с кавитацией, низким КПД и др.

Известен также судовой движитель, выполненный в виде гребного колеса и включающий в себя вал со ступицей, реборды и плицы, причем каждая из плиц выполнена составной из двух лопаток, одна из которых, внутренняя, прикреплена к реборде, а вторая, наружная, закреплена на внутренней лопатке и отклонена от ее плоскости в направлении вращения колеса (см. а.с. СССР N 1299896 от 09.12.82 МКЛ. B 63 H 1/04 опубл. 30.03.87 г.). Этот судовой движитель является наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и принят в качестве прототипа.

Недостатки этого движителя являются невысокая быстроходность и низкий КПД.

Целью заявляемого изобретения является повышение КПД и увеличение быстроходности движителя типа гребного колеса.

Для достижения поставленной цели в судовом гребном колесе, содержащем ступицу, закрепленную на приводном валу и плицы, каждая из которых выполнена из внутренней и наружной лопаток, причем наружные лопатки отклонены в направлении вращения колеса при движении судна передним ходом, согласно изобретению внутренние лопатки наклонены в направлении, противоположном направлению вращения колеса при движении судна передним ходом, при этом угол между внутренней лопаткой и касательной к ометаемой ею окружности составляет 1 - 30^o.

Проведенные патентные исследования показали, что в настоящее время неизвестны гребные колеса с такой совокупностью признаков, т.е. заявляемое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ отличительных признаков формулы приводит к выводу о том, что эти признаки придают устройству новые свойства. В частности, установка внутренних лопаток указанным образом позволяет создавать большую подъемную силу за счет реактивной составляющей при взаимодействии лопасти с водой и, тем самым, как бы выталкивать судно из воды, уменьшая его волновое сопротивление и соответственно увеличивая КПД. При этом наружные лопатки, в основном, обеспечивают поступательное движение судна. Таким образом, заявляемое гребное колесо изменяет характер движения судна, обеспечивая его выталкивание из воды не за счет внешних обводов корпуса или подводных крыльев, а благодаря конструкции самого колеса, в котором внутренние лопатки выполняют функции полупогружных крыльев. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "существенные отличия".

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где изображено:
на фиг.1 изображено гребное колесо с прямыми лопатками, поперечный разрез;
на фиг.2 - гребное колесо с криволинейными лопатками, поперечный разрез;
на фиг.3 - судно с установленными на нем гребными колесами.

Судовое гребное колесо (фиг.1) содержит установленную на приводном валу 1 ступицу 2 с закрепленными на ней плицами в виде внутренних лопаток 3 и наружных лопаток 4. Лопатки 4 размещены на концах внутренних лопаток 3 и жестко связаны с ними. На ступице 2 закреплены также обод 5, например, посредством реборд 6. Обод 5 может быть закреплен не на ступице 2, а непосредственно на лопатках 3 или 4 (фиг.2). Лопатки 3 закреплены на ступице 2, причем каждая лопатка 3 наклонена в направлении, противоположном направлению вращения колеса при движении судна передним ходом, а угол между внутренней лопаткой 3 и касательной к ометаемой ею окружности составляет 1 - 30^o. На фиг. 1 показан вариант установки лопаток под углом 30^o. Наружные лопатки 4 отклонены в направлении вращения колеса при движении судна передним ходом и установлены либо радиально, либо под углом к диаметральной плоскости колеса до 30^o.

Лопатки 3 могут быть выполнены прямолинейными (фиг.1) или криволинейными, с выпуклостью, обращенной в сторону вращения колеса при движении судна передним ходом.

Минимальное количество плиц в колесе 4 шт. Оптимальное их количество определяется с учетом размеров и скорости вращения гребного колеса, а также массы судна, т.е. нагрузки, приходящейся на колесо. Плицы следует располагать на колесо так, чтобы кавитационные возмущения от одной плицы не оказывали существенного влияния на работу последующей плицы. При угле наклона внутренних лопаток 3 менее 1^o коэффициент гидродинамической подъемной силы C_y менее 0,2, поэтому для создания достаточно большой подъемной силы требуется чрезмерно большая скорость вращения колеса. С ростом угла наклона лопаток 3 коэффициент C_у увеличивается, но при этом растет также и коэффициент гидродинамического сопротивления C_x, и соответственно увеличивается сопротивление движения судна и падает КПД. Поэтому увеличение угла наклона лопаток 3 свыше 30^o нецелесообразно.

Гребное колесо работает следующим образом. При вращении колеса в воде внутренние лопатки 3 создают подъемную силу P_y по принципу полупогружного гидродинамического крыла. При этом возникает также сила сопротивления движению судна P_x. Эти силы могут быть определены по определенным зависимостям:


где
C_x, C_y - гидродинамические коэффициенты;
ρ - - плотность воды;
V - скорость вращения лопаток;
S - площадь внутренних лопаток.

При достижении заданной скорости вращения колеса подъемная сила P_y превышает весовую нагрузку на колесе и оно "всплывает". В дальнейшем глубина погружения колеса саморегулируется, т. е. определяется площадью взаимодействия внутренних лопаток 3 с водой, наружные лопатки 4 работают как активные в обычном гребном колесе, сообщая судну горизонтальную скорость.

По сравнению с прототипом заявляемое гребное колесо обеспечивает значительное повышение КПД и быстроходности судна, т.к. существенное уменьшает волновое сопротивление движению судна благодаря уменьшению площади его контакта с водой. Расчеты показывают, что характер движения судна с заявляемым движителем сходен с движением судна на подводных крыльях.

Использование: движители быстроходных водных транспортных средств. Сущность изобретения: гребное колесо содержит вал 1 со ступицей 2 и плицы. Плицы выполнены составными из двух лопаток. Каждая внутренняя лопатка 3 закреплена на ступице 2 и наклонена в сторону, противоположную вращению колеса так, что угол между лопаткой и касательной к окружности, проведенной из центра колеса через оконечность лопатки, составляет 1 - 30^o. Наружные лопатки 4 закреплены жестко на концах внутренних лопаток и наклонены в направлении вращения колеса на угол до 30^o или установлены радиально. 3 ил.

Судовое гребное колесо, содержащее ступицу, закрепленную на приводном валу и плицы, каждая из которых выполнена из внутренней и наружной лопаток, причем наружные лопатки отклонены в направлении вращения колеса при движении судна передним ходом, отличающееся тем, что каждая указанная внутренняя лопатка наклонена в направлении, противоположном направлению вращения колеса при движении судна передним ходом, при этом угол между внутренней лопаткой и касательной к отметаемой ею окружности составляет 1 - 30^o.