МЕЛКОСИДЯЩЕЕ СУДНО С ЛОПАСТНЫМИ КОЛЁСАМИ Российский патент 2017 года по МПК B63H1/04 B63H5/02 B63B1/08 

Наша страна располагает самой большой и самой разветвленной сетью рек. Но огромнейшая акватория рек, озер, водохранилищ, прибрежных зон морей в большинстве случаев не используется в должной мере из-за их небольшой глубины. Судоходством освоено не более 15% их территории. В связи с обмелением рек пароходства несут многомиллиардные убытки. Железнодорожные и автомобильные дороги перегружены. Тем не менее новые речные суда не строятся. Толкачи, буксиры и баржи составляют в настоящее время основную часть флота. Они доживают последние годы своего срока службы. При замене морально и физически устаревшего флота необходимо обеспечить плавание на мелководье. Огромные природные запасы страны остались не по берегам магистральных рек, а по боковым мелководным рекам Сибири и Дальнего Востока.

При глубинах менее 2-х метров сейчас практически нет транспортного флота. Ранее же суда с гребными колесами эксплуатировались на глубинах 0,3-0,5 м. Они способны были развивать большой упор даже на мелководье. Но они были громоздки, тяжелы, сложны и не надежны в эксплуатации. Число оборотов их двигателей было 30-50 об/мин. Для безударного вхождения в воду их колеса делались с поворотными лопастями, но тогда они становились в 25 раз тяжелее и в 40 раз дороже. Колеса создавали большое волнообразование и удары плиц о воду, на что бесполезно тратилась энергия. КПД их был не высок. Кроме того, колеса были очень чувствительны к изменениям осадки судна. На волнении колеса оголялись. Они были плохо защищены как с боку, так и снизу. При засоренном фарватере они часто выходили из строя. В настоящее время суда с гребными колесами не эксплуатируются. Требуется новый движитель, способный создавать большой упор при небольшой осадке.

В настоящее время более 95% транспортного флота оснащено гребными винтами, изобретенными более 150 лет назад. Гребные винты - полнопогружные движители. Для их работы требуется запас воды как сверху, так и снизу. Ступицы для крепления лопастей также занимает большую часть гидравлического сечения движителя.

Гребные винты не способны выбрасывать воду горизонтально в сторону, противоположную направлению движения судна. Часть энергии двигателей бесполезно затрачивается на размыв берегов. В некоторых странах в пределах городской черты уже запретили эксплуатировать такие суда.

Винты не способны работать на мелководье. Большегрузные морские суда при заходе в реки требуют дорогостоящих работ по перегрузке, т.к. осадка не позволяет входу. Зачастую осадка этих судов не на много превышает необходимую для захода в устье рек. Дедвейт судна можно сохранить, если суда проектировать немного шире и длиннее, а осадку уменьшить. Двигатель можно установить мощнее, но для создания упора требуется движитель с меньшим диаметром, но с большим упором.

Создание такого движителя требуется и для мелкосидящих судов, т.к. после разгрузки на таких судах для хода порожнем требуется принимать балласт более половины дедвейта, что недопустимо из-за экономических соображений.

Водометы имеют малое гидравлическое сечение и не способны создавать большой упор, необходимый большегрузному судну.

Суда с динамическими принципами поддержания не могут быть большегрузными судами по экономическим соображениям. Эксплуатирующиеся на мелководье катера не решают проблемы большой грузоперевозки.

Изобретением №2391249 от 10.06.2010 г. мною была сделана попытка создания движителя, способного давать большой упор при малой осадке. На конкурсе им. Кулибина изобретение получило диплом лучшего изобретения года в сфере транспорта. Изобретением предлагалось решение вопроса получения большого упора на мелководье за счет расположения движителя на гребном валу, расположенного перпендикулярно направлению движению судна. Лопасти движителя закреплялись на цилиндре.

Особенностью мелкосидящих судов с лопастными колесами является то, что корпус судна - 1 в корме выполнен из двух коротких водопроточных каналов - 2 и - 3. По бортам и в середине кормы расположены две бортовые водоизмещающие секции - 4 и - 5 и одна средняя - 6. Средняя секция располагается кормовее бортовых на величину длины пера руля. Она может быть использована для крепления к ней аппарели.

Водоизмещающие секции поддерживают гребные колеса - 7, 8, 9 и 10, закрепленные на гребных валах - 11 и 12. Смотри фигуры 1, 2, 3. Гребные валы закрепляются на опорах 13, верхняя часть которых может быть снята при демонтаже. Опоры устанавливаются на платформе 14 и водоизмещающих секциях 4 и 5. Выше платформы, до главной палубы - 15 колеса закрыты колпаками 16 и 17, имеющими сверху для демонтажа крышки 18 и 19.

Усилия от дизель-электрической силовой установки передается от электродвигателей 20 и 21 на ведущие валы 11 и 12 через редукторы 22 и 23, промежуточные валы 24, 25 и 26, 27 на большие конические шестерни 28 и 29, насаженные по шлицам на гребные валы 11 и 12. Большое плечо приложения сил шестерен уменьшает затраты энергии на вращение гребных валов. Вращение на эти шестерни передается за счет конических шестерен 30 и 31. По шлицам гребных валов насажены силовые катушки 32, 33, 34 и 35 колес, усилия от которых передаются на параллельные между собой диски 36, 37, 38 и 39.

Между дисками закрепляются лопасти 40. Лопастное колесо устроено просто: изогнутые прямоугольные лопасти изготавливаются из листового металла. Они устанавливаются группами по нескольким разноудаленным от вала орбитам. Ближе к центру вращения располагаются водоподающие лопасти. При вращении колес вода из этих лопастей под действием центробежной силы переливается на более отдаленные от центра вращения лопасти, которые имеют большую окружную скорость и способны, придав воде ускорение, выбрасывать ее за корму судна. Более отдаленные от вала лопасти - водовыбрасывающие. Они изогнуты в сторону от гребного вала. Водоподающие лопасти изогнуты в сторону гребного вала. Между собой в одной группе лопасти расположены так, что обеспечивают максимально возможную передачу масс ускоренной воды на нижележащие лопасти. Наиболее удаленный от вала конец водоподающей лопасти располагается по отношению к ближайшему концу водовыбрасывающей лопасти под углом, близким к прямому. Это обеспечивает лопастям безударный вход в воду при вращении колеса. Это большое преимущество лопастных колес перед прежними колесами с плицами, т.к. позволяют обойтись без сложного и ненадежного механизма их поворота и уменьшить диаметр колес. Крепление лопастей между двух параллельных дисков позволяет устанавливать лопасти под любым углом к поверхности воды. Поэтажное расположение лопастей по разноудаленным от оси вращения орбитам позволяет колесам развивать упор при любых осадках судна. Следовательно, лопастное колесо можно успешно устанавливать как на судах для плавания на глубокой воде, так и на мелководье. Только расположение лопастей между двух дисков позволяет устанавливать на поперечные гребные валы четыре и более колес. А это значит, что такой движитель на мелководье может развивать большой упор, недостижимый другими движителями!

На глубинах менее 2,0 метра лопастные колеса вытеснят гребные винты, требующие своего полного погружения. Это позволит водному транспорту значительно расширить зоны своего обслуживания среднетоннажным флотом, что особенно важно сейчас при обмелении рек и необходимости развития промышленности в населенных пунктах, расположенных вдоль «боковых» рек, где есть ресурсы полезных ископаемых и леса. Гребное колесо не имеет ступицы, как у гребных винтов. Это увеличивает гидравлическое сечение движителя, где одновременно в воде может находиться большое количество рабочих лопастей (практически от борта до борта). Лопасти колес совместно с дисками, между которых они закреплены, образуют совкообразные ковши, эффективно выбрасывающие воду за корму судна, не позволяя воде растекаться в стороны. Это напоминает работу многоковшовых экскаваторов в карьерах. За лопастными колесами устанавливается горизонтально закрепленные между стенками водопроточного канала горизонтальные спрямляющие листы 41 и 42. Верхние наклонные стенки 43 и 44 водозаборников располагаются так, чтобы поступающий к колесу встречный скоростной поток воды поступал не горизонтально к поверхности воды, а под углом, отступая на величину половины длины водовыбрасывающих лопастей. Это обеспечит лопастям самой большой орбиты безударный вход в воду под углом, близким к прямому. Для того, чтобы сходящий с лопастей поток воды на подходе к колесу продолжал свое ускоренное движение по кругу, верхний водоподающий лист водозаборника выполнен повернутым вверх и там установлен дугообразный водоотбойный лист, по форме напоминающий в этом месте диаметр колеса. Это позволяет направлять поток воды с колеса на дугообразные водоотражатели 45 и 46, минуя открытую для поступления потока воды часть заградительной решетки водозаборников 47 и 48. Ускоренный поток воды выбрасывается горизонтально благодаря как горизонтальным водоспрямляющим листам 41 и 42, так и спрофилированными днищевыми листами рулевых отделений.

Рулевое устройство состоит из раздельных рулевых машин правого и левого бортов 49 и 50, балеров 51 и 52 и перьев рулевого устройства 53 и 54, располагаемых под отделениями рулевых машин. Нижняя часть балеров рулей опирается на кормовые пяточные опоры 57 и 58.

Выдающиеся кормовее вертикальные стенки средней водоизмещающей секции при ходе судна вперед вместе с перьями рулей направляют уже спрямленный горизонтальный поток воды строго назад, в сторону, противоположную направлению движения судна. Поворот судна вправо или влево осуществляется только одним рулевым устройством, поворотом пера руля в сторону борта или перпендикулярно ему.

Балер разделяет перо руля на две неравные части. Кормовая часть длиннее носовой. Это обеспечивает выход мощного потока воды за борт судна. Для уменьшения усилий рулевых машин на вертикальных стенках водоизмещающих секций устанавливаются ограничители поворота руля 55 и 56.

Мощная струя воды, направляемая перпендикулярно направлению движения судна, создает судну хорошую управляемость. А это очень важно для мелкосидящих плоскодонных судов, имеющих большую ширину и длину. Особенностью этих судов является то, что поперечные гребные валы размещаются на платформе, ниже главной палубы, так как лопастное колесо находится в воде только половиной его диаметра. На платформе размещаются только опоры колес и отделения рулевых машин. Проходя промежуточным валом уплотнения водонепроницаемой переборки, трансмиссия попадает в машинное отделение. Задний ход судна осуществляется вращением колес в обратную сторону.

Эффективность судов с лопастными колесами складываемся из следующих достоинств:

1. Поперечное расположение ведущих валов позволяет получить большую площадь лопастей, одновременно работающих в водопроточных каналах, что обеспечивает при ограниченной осадке и небольших глубинах большой упор, недостижимый другими движителями.

2. Закрепление лопастей на дисках позволяет разместить лопасти по нескольким разноудаленным от вала диаметрам, что обеспечивает работу колес при различных осадках судна.

3. Поток воды ускоряется и уплотняется в водопроточных каналах и направляется за корму только в сторону, противоположную направлению движения судна, затрачивая больше энергии на его движение.

4. Хорошая защищенность колес как снизу, так и по бортам позволяет создавать суда для работы в засоренных фарватерах, битом льду и на волнении. Нет опасности закручивания тросов за гребной винт, как у траулеров, тральщиков, буксиров, судов технического флота и т.д. Боковая волна не оголяет гребные колеса.

5. Водопроточные каналы, размещенные непосредственно по днищу судна, не требуют затрат энергии на преодоление сопротивления воды в трубах при их подъеме к насосному устройству, как у водометов.

6. Размещение валовой линии выше ватерлинии не создает сопротивление движению судна. Ремонт трансмиссии не требует докования судна и позволяет производить ремонт вне заводских условий.

7. Возможность работы лопастных колес в безударном и безимпульсном режимах позволяет использовать современные двигатели.

Вышеупомянутые достоинства позволяют создавать современные мощные суда, способные значительно увеличить грузоперевозки на водном транспорте и произвести замену морально и физически устаревшего речного флота.

Создание судов с лопастными колесами позволит расширить акваторию, обслуживаемую водным транспортом, исключить перегрузочные работы при входе в речные порты, разгрузить железнодорожные и автомобильные дороги, уменьшить затраты на дорогостоящие дноуглубительные работы, используя новые конструктивные решения. Это даст стране огромный экономический эффект.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судам с лопастными гребными колесами. Предложено мелкосидящее судно с лопастными колесами, состоящее из корпуса, двигателей, силовых трансмиссий, лопастных колес, закрепленных на гребных валах, установленных перпендикулярно направлению движения судна, водопроточных каналов и рулевого устройства, причем корма судна выполнена в виде двух сквозных водопроточных каналов, разделяющих днище на три водоизмещающие секции, на которых установлены опоры двух гребных валов с закрепленными на них лопастными колесами, состоящими из двух параллельных друг другу прочных дисков с установленными между ними изогнутыми лопастями, расположенными по нескольким разноудаленным от вала диаметрам так, что при вращении колес они следуют друг за другом, переливая воду на более отдаленные от вала лопасти, и входят в воду под прямым углом в безударном режиме. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик судна. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Мелкосидящее судно с лопастными колесами, состоящее из корпуса, двигателей, силовых трансмиссий, лопастных колес, закрепленных на гребных валах, установленных перпендикулярно направлению движения судна, водопроточных каналов и рулевого устройства, отличающееся тем, что корма судна выполнена в виде двух сквозных водопроточных каналов, разделяющих днище на три водоизмещающие секции, на которых установлены опоры двух гребных валов с закрепленными на них лопастными колесами, состоящими из двух параллельных друг другу прочных дисков с установленными между ними изогнутыми лопастями, расположенными по нескольким разноудаленным от вала диаметрам так, что при вращении колес они следуют друг за другом, переливая воду на более отдаленные от вала лопасти, и входят в воду под прямым углом в безударном режиме.

2. Мелкосидящее судно с лопастными колесами по п. 1, отличающееся тем, что силовые усилия на лопасти передаются через прочные диски, закрепленные к бортам прочных катушек, насаженных на те же поперечные гребные валы, что и силовые шестерни большого диаметра трансмиссий.

3. Мелкосидящее судно с лопастными колесами по п. 1, отличающееся тем, что расположение лопастей между дисками позволяет закреплять их к дискам в любом месте и под любым углом к поверхности воды, обеспечивая тем самым при вращении колеса их безударный вход в воду без механизма их поворота.

4. Мелкосидящее судно с лопастными колесами по п. 1, отличающееся тем, что расположение лопастей по разноудаленным от гребных валов диаметрам позволяет создавать колесу необходимый упор при любых осадках судна.

5. Мелкосидящее судно с лопастными колесами по п. 1, отличающееся тем, что расположение лопастей между двух дисков при размещении нескольких колес на едином гребном валу обеспечивает выброс из них воды в параллельном направлении, что позволяет создавать колесам при их совместной работе большой упор, недостижимый другими движителями при этом же диаметре.

6. Мелкосидящее судно с лопастными колесами по п. 1, отличающееся тем, что лопасти совместно с дисками образуют совкообразные ковши, которые при вращении колес забирают воду от водозаборника, создавая в нем разрежение и способствуя поступлению к колесам скоростного потока воды.

7. Мелкосидящее судно с лопастными колесами по п. 1, отличающееся тем, что днище судна под колесами закрыто водоотражающими листами, повторяющими диаметр колеса и отстоящими от него на небольшом расстоянии, но увеличивающимся носовее при подходе к соединению с решеткой водозаборника, другим концом закрепленной к наклонной верхней стенке водозаборного канала.

8. Мелкосидящее судно с лопастными колесами по п. 1, отличающееся тем, что верхняя наклонная стенка водозаборника при подходе к колесам повернута круто вверх, образуя небольшую дугообразную водонаправляющую стенку, отталкиваясь от которой вода с колес поступает на водоотражающие листы днища, минуя решетку водозаборника.

9. Мелкосидящее судно с лопастными колесами по п. 1, отличающееся тем, что на выходе из водопроточных каналов между его стенками установлены горизонтальные водоспрямляющие листы.

10. Мелкосидящее судно с лопастными колесами по п. 1, отличающееся тем, что днища отделений рулевых машин выполнены в виде выгнутых вверх водоспрямляющих листов.

11. Мелкосидящее судно с лопастными колесами по п. 1, отличающееся тем, что средняя водоизмещающая кормовая секция выдвинута кормовее бортовых на величину длины пера руля.

12. Мелкосидящее судно с лопастными колесами по п. 1, отличающееся тем, что изменение вектора тяги на 90° происходит как за счет повернутого пера руля перпендикулярно направлению движению судна, так и за счет того, что поток воды при этом становится ограниченным еще и боковой стенкой средней водоизмещающей секции.