ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ КРЫЛО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК B63B1/24 B63H25/08 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к устройствам гидродинамических крыльев, а именно подводных крыльев и рулей.

Известно подводное крыло. Под ним установлены наклонные стабилизаторы, имеющие особую форму (авт. св. СССР №273674, В 63 В 1/24, 1970).

Известно подводное крыло быстроходного судна. Оно выполнено с особым профилем (авт. св. СССР №1012516, В 63 В 1/24, 1995, ближайший аналог к изобретению по варианту 1).

Недостатком обоих известных подводных крыльев является их высокое сопротивление движению, обусловленное использованием неоптимального профиля.

Известен судовой горизонтальный руль. Руль имеет перо и баллер, а перо выполнено в виде полуцилиндрической обечайки (авт. св. СССР №1066895, В 63 Н 25/08, 1984).

Известен руль для управления судном. Руль имеет кромки (патент РФ №2009961, В 63 Н 25/06, В 63 Н 19/02, 1994, ближайший аналог к изобретению по варианту 2).

Недостатком обоих известных рулей является их высокое сопротивление движению, обусловленное использованием неоптимального профиля, а также значительный гидродинамический шарнирный момент сопротивления их повороту, обусловленный несовпадением оси поворота с осью нулевого гидродинамического шарнирного момента.

В основу изобретения по первому варианту поставлена задача создания гидродинамического крыла, имеющего сниженное сопротивление движению при движении гидродинамического крыла вместе с судном.

Задача создания гидродинамического крыла решается тем, что гидродинамическое крыло, согласно изобретению, вдоль размаха с двояковыпуклыми профилями, симметричными или несимметричными с обводами верхнего и нижнего контуров каждого профиля, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными функциями на длине хорды, причем наибольшая толщина каждого из профилей расположена за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды профиля.

Выполнение гидродинамического крыла вдоль размаха с двояковыпуклыми профилями, симметричными с обводами верхнего и нижнего контуров каждого профиля, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными на длине хорды, причем наибольшая толщина каждого из профилей расположена за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды профиля, а также выполнение гидродинамического крыла вдоль размаха с двояковыпуклыми профилями, несимметричными с обводами верхнего и нижнего контуров каждого профиля, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными на длине хорды, причем наибольшая толщина каждого из профилей расположена за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды профиля обеспечивает создание профиля, снижающего сопротивление движению за счет заострения кромок профилей вдоль размаха и выбора расположения и оптимальной величины наибольшей толщины каждого из профилей.

Выбор расположения наибольшей толщины каждого из профилей за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равной (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды профиля, обусловлен проведенными расчетами по гидродинамике, основанными на применении к движению тел в воде кинетической теории.

Из гидродинамики известно, что сопротивление движению гидродинамического крыла возникает на поверхностях, обращенных к набегающему потоку, и при этом сопротивление движению тем меньше, чем больше угол между нормалью к поверхности, обращенной к набегающему потоку, и вектором скорости гидродинамического крыла. Поэтому для уменьшения сопротивления движению необходимо увеличить этот угол, что достигается заострением передней кромки гидродинамического крыла.

Заострение задней кромки гидродинамической поверхности необходимо для того, чтобы избежать кавитации.

В основу изобретения по второму варианту поставлена задача создания гидродинамического крыла, имеющего сниженное сопротивление движению и пониженный гидродинамический шарнирный момент пера при движении гидродинамического крыла вместе с судном.

Задача создания гидродинамического крыла по второму варианту решается тем, что гидродинамическое крыло, согласно изобретению, имеет одно перо или по крайней мере два соединенных с торцов пера, каждое перо выполнено вдоль размаха с симметричными или несимметричными двояковыпуклыми профилями с обводами верхнего и нижнего контуров каждого профиля, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными функциями на длине хорды, каждое перо выполнено трапециевидным и установлено с возможностью поворота относительно его средней линии, проходящей через середины местных хорд, причем наибольшая толщина каждого из профилей расположена за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды профиля.

Выполнение гидродинамического крыла с одним пером, каждого пера вдоль размаха с симметричными двояковыпуклыми профилями с обводами верхнего и нижнего контуров каждого профиля, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными функциями на длине хорды, а также выполнение трапециевидным и установка с возможностью поворота относительно его средней линии, проходящей через середины местных хорд, причем наибольшая толщина каждого из профилей расположена за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды профиля, а также выполнение гидродинамического крыла с одним пером, каждого пера вдоль размаха с несимметричными двояковыпуклыми профилями с обводами верхнего и нижнего контуров каждого профиля, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными функциями на длине хорды, а также выполнение трапециевидным и установка с возможностью поворота относительно его средней линии, проходящей через середины местных хорд, причем наибольшая толщина каждого из профилей расположена за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды профиля, а также выполнение гидродинамического крыла с по крайней мере двумя соединенными с торцов перьями, каждого пера вдоль размаха с симметричными двояковыпуклыми профилями с обводами верхнего и нижнего контуров каждого профиля, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными функциями на длине хорды, а также выполнение трапециевидным и установка с возможностью поворота относительно его средней линии, проходящей через середины местных хорд, причем наибольшая толщина каждого из профилей расположена за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды профиля, а также выполнение гидродинамического крыла с по крайней мере двумя соединенными с торцов перьями, каждого пера вдоль размаха с несимметричными двояковыпуклыми профилями с обводами верхнего и нижнего контуров каждого профиля, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными функциями на длине хорды, а также выполнение трапециевидным и установка с возможностью поворота относительно его средней линии, проходящей через середины местных хорд, причем наибольшая толщина каждого из профилей расположена за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды профиля, обеспечивает создание профиля, снижающего сопротивление движению гидродинамического крыла за счет заострения кромок профилей вдоль размаха и выбора расположения и оптимальной величины наибольшей толщины каждого из профилей.

Выбор расположения наибольшей толщины каждого из профилей за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равной (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды профиля, обусловлен проведенными расчетами по гидродинамике, основанными на применении к движению тел в воде кинетической теории.

Из гидродинамики известно, что сопротивление движению гидродинамического крыла возникает на поверхностях, обращенных к набегающему потоку и при этом сопротивление движению тем меньше, чем больше угол между нормалью к поверхности, обращенной к набегающему потоку, и вектором скорости гидродинамического крыла. Поэтому для уменьшения сопротивления движению необходимо увеличить этот угол, что достигается заострением передней кромки гидродинамического крыла.

Заострение задней кромки гидродинамической поверхности необходимо для того, чтобы избежать срыва потока.

В предложенном профиле пера ось нулевого гидродинамического шарнирного момента проходит вблизи середины хорды. Положение этой оси остается практически неизменным в значительном диапазоне углов поворота пера в плоскости. При трапециевидной форме пера средняя линия, проходящая через середины местных хорд, прямая, что позволяет совмещать с ней ось поворота пера, что приводит к снижению гидродинамического шарнирного момента.

Выполнение крыла из по крайней мере двух соединенных с торцов перьев также обеспечивает при прибавлении поворотных перьев сниженное сопротивление движению гидродинамического крыла за счет заострения кромок профилей вдоль размаха и выбора расположения и оптимальной величины наибольшей толщины каждого из профилей и снижение гидродинамического шарнирного момента за счет расположения оси поворота на средней линии трапециевидной формы пера.

На фиг.1 изображено гидродинамическое крыло по варианту 1; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1 (симметричный двояковыпуклый профиль); на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.1 (несимметричный двояковыпуклый профиль); на фиг.4 - гидродинамическое крыло по варианту 2 (одна поверхность управления); на фиг.5 - гидродинамическое крыло (две поверхности управления); на фиг.6 - разрез по Б-Б на фиг.4 или 5 (симметричный двояковыпуклый профиль); на фиг.7 - разрез по Б-Б на фиг.4 или 5 (несимметричный профиль).

Гидродинамическое крыло по варианту 1 является подводным крылом и выполнено вдоль его размаха с двояковыпуклыми профилями 1. Двояковыпуклый профиль 1 может быть выполнен симметричным (Фиг.2) или несимметричным (Фиг.3). Обводы верхнего контура 2 и нижнего контура 3 каждого двояковыпуклого профиля 1 выражаются в виде функций, производные которых являются ограниченными функциями на длине хорды 4.

Например, обводы верхнего контура 2 для симметричных двояковыпуклых профилей могут быть выражены функцией у=а-ах², для которой при х=1у'=-2а, при х=-1у'=2а.

Обводы нижнего контура 3 для симметричных двояковыпуклых профилей могут быть выражены функцией у=-а+ах², для которых при х=1у'=2а; при х=-1у'=-2а.

Для несимметричных двояковыпуклых профилей обводы верхнего контура 2 могут быть также выражены функцией у=а-ах², для которой при х=1у'=2а; при х=-1у'=-2а.

Обводы нижнего контура 3 для несимметричных двояковыпуклых профилей могут быть выражены функцией у=-с+сх², для которой при х=1у'=2с, при х=-1у=-2с.

Касательные к обводам верхнего и нижнего контуров 2 и 3 соответствующие производным у' изображены на Фиг.2 и 3.

Наибольшая толщина 5 каждого из двояковыпуклых профилей 1 вдоль размаха гидродинамического крыла расположена за серединой каждой местной хорды 4 на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды 4 двояковыпуклого профиля 1. Направление движения гидродинамического крыла показано стрелкой 6.

При движении судна вместе с гидродинамическим крылом по стрелке 6 поток воды обтекает гидродинамическое крыло, создавая малое сопротивление движению за счет выбора оптимальных профилей гидродинамического крыла.

Гидродинамическое крыло по варианту 2 является рулем и имеет одно перо 7 или по крайней мере два соединенных с торцов пера 8 и 9. Каждое перо 7 или 8 и 9 выполнено вдоль размаха с симметричными двояковыпуклыми профилями 10 или несимметричными двояковыпуклыми профилями 11 с обводами верхнего контура 12 и нижнего контура 13 каждого двояковыпуклого профиля 10 и 11, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными функциями на длине хорды 14.

Например, для одного пера 7 или по крайней мере двух соединенных с торцов перьев 8 и 9 для симметричных двояковыпуклых профилей 10 обводы верхнего контура 12 могут быть выражены функцией у=а-ах², для которой при х=1у'=-2а, при х=-1у=2а. Обводы нижнего контура 13 могут быть выражены функцией у=-а+ах², для которой при х=1у'=2а, при х=-1у=-2а.

Для одного пера 7 или по крайней мере двух соединенных с торцов перьев 8 и 9 для несимметричных двояковыпуклых профилей 11 обводы верхнего контура 12 могут быть также выражены функцией у=а-ах², для которой при х=1у'=-2а, при х=-1у=2а. Обводы нижнего контура 13 могут быть выражены функцией у=-с+сх², для которой при х=1у'=2с; при х=-1у=-2с, причем с≠а.

Касательные к обводам верхнего и нижнего контура 12 и 13, соответствующие производным у', изображены на Фиг.6 и 7.

Каждое перо 7 или 8 и 9 выполнено трапециевидным и установлено с возможностью поворота относительно его средней линии 15, проходящей через середины местных хорд 14. Наибольшая толщина 16 каждого из двояковыпуклых профилей 10 или 11 расположена за серединой каждой местной хорды 14 по направлению движения гидродинамического крыла по стрелке 17 на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05-0,3)b, где b - длина местной хорды 14 двояковыпуклого профиля 10 или 11.

Управление судном гидродинамическим крылом по варианту 2 осуществляют следующим образом.

При выполнении с одним пером перо 7 поворачивают вокруг его средней линии 15 в заданную сторону поворота судна и устанавливают с углом атаки к набегающему потоку и судно поворачивается.

При выполнении с по крайней мере двумя перьями в случае волнения часть гидродинамического крыла, например одно перо 8 или 9, может оказаться вне воды и тогда второе перо 8 или 9 или другие перья поворачивают вокруг оси в заданную сторону поворота судна и устанавливают с углом атаки к набегающему потоку и судно поворачивается.

Изобретение относится к судостроению и касается создания подводных крыльев и крыльевых рулей. Крыло по первому варианту выполнено вдоль размаха с двояковыпуклыми профилями, симметричными или несимметричными, с обводами верхнего и нижнего контуров каждого профиля, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными функциями на длине хорды. Наибольшая толщина каждого из профилей расположена за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05÷0,3)b, где b - длина местной хорды профиля. По второму варианту крыло имеет одно перо или по крайней мере два соединенных с торцов пера. Каждое перо выполнено трапециевидным и установлено с возможностью поворота относительно средней линии, проходящей через середины местных хорд. Технический результат реализации изобретения состоит в том, что при движении крыло воспринимает набегающий поток с малым сопротивлением движению из-за наличия острых кромок и выбора оптимального профиля, а при повороте пера на заданный угол атаки к набегающему потоку обеспечивается пониженный гидродинамический шарнирный момент пера при повороте судна в нужную сторону. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Гидродинамическое крыло, отличающееся тем, что оно выполнено вдоль размаха с двояковыпуклыми профилями, симметричными или несимметричными, с обводами верхнего и нижнего контуров каждого профиля, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными функциями на длине хорды, причем наибольшая толщина каждого из профилей расположена за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05÷0,3) b, где b - длина местной хорды профиля.2. Гидродинамическое крыло, отличающееся тем, что оно имеет одно перо или по крайней мере два соединенных с торцов пера, каждое перо выполнено вдоль размаха с симметричными или несимметричными двояковыпуклыми профилями, с обводами верхнего и нижнего контуров каждого профиля, выраженными в виде функций, производные которых являются ограниченными функциями на длине хорды, а также выполнено трапециевидным и установлено с возможностью поворота относительно средней линии, проходящей через середины местных хорд, причем наибольшая толщина каждого из профилей расположена за серединой каждой местной хорды на расстоянии не более 0,01b и равна (0,05÷0,3) b, где b - длина местной хорды профиля.