Устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке Российский патент 2020 года по МПК B63B1/38 B60V3/06 B60V1/04 

Изобретение относится к области создания транспортных средств, использующих динамическую воздушную подушку, обладающим высокопроизводительным свойством компрессора на использовании импеллера, реактивная струя которого направлена для пневмоканалов в виде сжатого воздуха под днищем для создания подъемной и тяговой силы, и может быть использовано для мелкосидящего быстроходного судна с воздушной каверной на днище и направлено на улучшение, как гидродинамических, так и мореходных характеристик этих судов.

Известна конструкция судна с воздушной прослойкой под днищем, которое имеет полость на днище, ограниченную носовым реданом, бортовыми скегами и кормовым замыкающим элементом и разделенную на отдельные секции расположенными по всей ширине полости между бортовыми скегами поперечными козырьками, при этом поперечные козырьки и кормовой замыкающий элемент удалены по нижним кромкам в полости, проходящей через продольную ось днища, на определенное расстояние друг от друга, первый поперечный козырек удален от носового редана также на определенное расстояние, а нижние кромки поперечных козырьков не выходят за основную плоскость днища (Патент RU N 91145587, B60V 1/04, B60V 1/38 от 29.09.1983).

При движении указанного судна и подаче в днищевую полость сжатого воздуха за носовым реданом и поперечными козырьками образуются воздушные прослойки с передней границей на водоотделяющих поперечных реданов. Длина воздушных прослоек на эксплуатационной скорости достигнет значений, равных расстояниям между нижними водоотводящими кромками козырьков. В результате происходит образование единой воздушной прослойки, чем обеспечивается уменьшение смоченной водой поверхности днища и снижение сопротивления трения.

Однако единая воздушная прослойка на этом судне устойчива в узком диапазоне скоростей, и при наличие возмущений эксплуатационного характера, при линейном изменении скорости единая воздушная прослойка подвержена разрушению с образованием сравнительно коротких разрозненных воздушных прослоек. На данном судне образование воздушных прослоек не предусмотрено на сужающихся участках днища, что также ограничивает эффективность снижения сопротивления трения.

Известно судно, преимущественно водоизмещающего типа с цилиндрической вставкой с воздушной прослойкой под днищем, содержащее корпус, в днище которого образована полость, сообщенная с источником сжатого воздуха, ограниченная бортовыми скегами и кормовым замыкающим элементом. В полости установлен, по крайней мере, один водоотделяющий элемент, нижняя кромка которого не выходит за нижние кромки бортовых скегов. Бортовые скеги выполнены с водоотделяющими нижними кромками, расположенными под острым углом к диаметральной плоскости судна, по крайней мере, на длине не менее 1/3 расстояния от точки пересечения этих кромок с диаметральной плоскостью в носовой части днища до кормового края кормового замыкающего элемента и не более расстояния от упомянутой точки до носовой границы кормового замыкающего элемента (Патент RU N 2051510, В63В 1/38 от 18.04.1995).

Благодаря бортовым скегам, расположенным под острым углом к диаметральной плоскости эффективность снижения сопротивления трения увеличивается за счет образования воздушной прослойки на сужающихся участках днища.

Однако воздушная прослойка на этом судне устойчива также в узком диапазоне скоростей, так как форма полости выполнена без учета характера обводов смоченной поверхности днища судна перед полостью днища судна перед полостью.

Известно быстроходное судно, где предложена форма каверны в плане, сужающая от района цилиндрической вставки в нос по криволинейному обводу. При этом бортовые скеги переходят в криволинейные в плане. Но плоские по батоксам участки с углами атаки α₁ от 0 до 90°, длина таких участков предлагается, по меньшей мере, 0,05 длины выемки (каверны). Имеется описание в разделе 4, который описывает выполнение плоских участков в виде последовательных элементарных участков, каждый из которых имеет неизмененный угол атаки α_i. Предложенная форма очень сложна технологически для реализации при постройке, кроме того, большие плоские участки приведут к возникновению значительных ударов при движении с полной скоростью на волнении. Ухудшат продольную и поперечную остойчивость судна.

Известно устройство для реализации способа передвижения и управления транспортным средством на воздушной подушке, содержащее днище, выполненное из частей под различными углами, руль поворота, продольный воздухозаборный канал нагнетательного устройства в виде импеллера, воздух, из сопла которого подается под углом под днище судна, пневмоканалы и поворотный щиток, закрепленный на горизонтальной оси вращения с возможностью примыкания в закрытом положении к днищу корпуса, при этом днище, оборудованное с боковыми скегами, дополнительно оборудовано внутри продольными напорными каналами, выполненными в виде полых и сквозных труб из легкого алюминиевого сплава с установленными в конце их изогнутыми активными соплами, которые ориентированы под углом в сторону движения воздуходинамической струи высокого давления, выходящей из переходного двухфазного сопла, размещенного в средней части под открытым снизу днищем корпуса, при этом боковые воздуходинамические струи между боковыми стенками скегов и боковыми стенками переходного двухфазного сопла ориентированы по направлению выходящей воздуходинамической струи высокого давления из переходного двухфазного сопла (Патент N 2614367, B60V 3/06, B60V 1/04, В63В 1/38 от 24.03.2017).

Недостатком данного решения является наличие продольных напорных каналов, выполненных в виде полых сквозных труб и переходного сопла, предусматривает смешивание сжатого потока в кормовой части судна. У данного судна не используется по ширине максимальные габариты днища с закреплением к нему реданов, что уменьшает максимальную площадь подушки и недостаточно увеличение воздушной смазки в условиях окружающей среды - плотность воды и сжатого воздуха, а значит недостаточная подъемная сила и движение судна в целом. Кроме того, оно сложно в практической реализации при наличии связи уступа с переходным двухфазным соплом с центральным продольным прямолинейным каналом, т.е. для судов малого тоннажа изобретение приводит к усложнению конструкции корпуса и может быть в наших условиях экономически не достаточно эффективным. Таким образом, необходимо не только повысить гидродинамическое качество судов на пневмопотоке, но и улучшить устойчивость глиссирования и обеспечить повышенные эксплуатационные качества. Особенно это важно в условиях развитого волнения, так как на первое место выходят вопросы стабилизации как продольной, так и поперечной качки. Кроме того, воздушная прослойка на этом судне устойчива также в узком диапазоне скоростей, так как форма днища с элементами подачи сжатого воздуха не достаточно обеспечивает снижение сопротивления трения в широком диапазоне скоростей движения судна.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является судно, которое касается конструкции днища корпуса быстроходного мелкосидящего судна путем создания на днище ряда воздушных полостей, образованных наличием ряда реданов, а также бортовых и днищевых скегов. Воздух в воздушные полости подается от независимого источника через форсунки, установленные в днище судна сразу за реданами. Форсунки закрыты отбойными пластинами, назначение которых уменьшить деформацию воздушной каверны (Авторское свидетельство SU N 1824806, В63В 1/00 от 27.11.1995).

К существенным недостаткам данного изобретения можно отнести его зависимость от состояния водной поверхности. Малейшее волнение водной поверхности существенно деформирует создаваемые на днище воздушные каверны, и тогда эффективность использования данного изобретения резко снижается. Также в данном изобретении отсутствует возможность изменения режимов движения воздуха на водную опорную поверхность в зависимости от скорости движения. Таким образом, предложенная форма реданов не решает ряда задач по мореходности, снижает эффективность каверны, не позволяя реализовать все преимущества от использования каверны в условиях волнения путем снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, т.к. практически исключения влияния состояния водной поверхности за счет одновременного применения «воздушной смазки» и «воздушной подушки».

Задача изобретения - повышение эффективности динамической воздушной подушки и снижения сопротивления воды движению судна, а также подъемной и тяговой силы с повышенными скоростными возможностями.

Технический результат от использования изобретения заключается в создании с началом движения судна на сжатом пневмопотоке и с подачей воздуха в днищевую выемку в виде трубы-редана с коллектором под днищем образованного закрытого пневмоканала расположенным на некотором расстоянии выше нижних опорных концов скегов за счет одновременного применения с С-образующими продольными реданами следующими друг за другом, концы которых заглушены, а в нижней их части выполнены отверстия для выхода сжатого воздуха вниз в сторону опорной поверхности, при этом подача воздуха происходит из сопла импеллера в широком диапазоне скоростей со стороны высокого давления воздуха (газодинамической струи).

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, содержащем бортовые скеги и реданы, между которыми образуются воздушные полости, в которых воздух поступает по воздухопроводу от источника воздуха в виде нагнетательного устройства, согласно изобретения, расширяющееся днище между скегами между которыми образован закрытый пневмоканал с прямоугольным днищем, расположенным на некотором расстоянии выше нижних опорных концов скегов, заканчивающимся, не доходя до кормовой части, в которую поступает от источника сжатый воздух, дно закрытого пневмоканала в своей нижней части под днищем выполнено основным продольным напорным воздухопроводом в виде трубы-редана коллектора с С-образующими продольными реданами следующими друг за другом по длине основного продольного напорного воздухопровода, концы, которых заглушены и в нижней части, которых выполнены отверстия для выхода сжатого воздуха вниз, при этом отверстия ориентированы в сторону опорной поверхности воды, а точки пересечении с С-образующими продольными реданами расположены по длине каждый на основном воздухопроводе соединенным с отверстием принудительной подачи воздуха по воздухопроводу от нагнетательного устройства в виде импеллера, воздух, из сопла которого подается под днище судна в закрытый пневмоканал, при этом конец основного продольного воздухопровода которого выполнен сужающимся в виде сопла диффузора.

Кроме того, основной продольный воздухопровод с С-образующими продольными реданами, образующих воздушную смазку, расположены на определенном расстоянии выше нижних опорных концов скегов, но ниже днища закрытого пневмоканала с прямоугольным днищем между выступающими скегами.

Кроме того, верхние части С-образующих продольных реданов закреплены к днищу закрытого пневмоканала, а нижние части, которых имеют выполненные отверстия для выхода воздуха в зону воздушной подушки.

Указанные отличия увеличивают в районе днища закрытого пневмоканала с прямоугольным днищем с С-образующими профилем в плане, которые образуют лыжеобразный каждый из них выступ, и ветви, которых направлены в сторону кормы, между которыми днищевая поверхность создает воздушные каверны, ограничивающая сверху днищем закрытого пневмоканала и оканчивающаяся не доходя самой кормовой части. Все это в целом снижает ударные нагрузки на судно при движении в условиях развитого волнения, и тем самым улучшающий его мореходные качества. Точка пересечения С-образующих продольных реданов следующими друг за другом по длине основного продольного напорного воздухопровода увеличивает глиссирующую поверхность судна в сочетании с носовой частью элементами и позволяет стабилизировать поток выходящего воздуха, существенно улучшить параметры по качке и тем самым повысить эксплуатационное качество судно на пневмопотоке с каверной на крейсерских скоростях движения не только на тихой воде, но и, что особенно важно, на волнении. А открытый участок в районе кормовой части днища корпуса обеспечивает смешение этих воздушных масс воздуха в сторону канала между рулевыми устройствами. А значит резко снижается полное гидродинамическое сопротивление на эксплуатационных скоростях движения при практически постоянной мощности силового импеллера (затраты на подачу воздуха практически уменьшатся в несколько раз, и тем самым достигается существенный прирост скорости хода и регулируется эффект воздушной каверны.

Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Изложенное выше позволяет, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень" и пригодно к осуществлению промышленным путем.

На фиг. 1 схематически изображено судно на сжатом пневмопотоке, в котором используется импеллер, вид снизу, изометрия; на фиг. 2 схематически изображено судно, лежащее вверх днищем с выполнением основного продольного напорного воздухопровода с С-образующими продольными реданами с вырезом в верхней части корпуса; на фиг. 3 показан вид на кормовую часть судна с рулем; на фиг. 4 - сечение в диаметральном положении на входе в основной продольный воздухопровод.

Предлагаемое изобретение - устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, содержит корпус 1, который включает соосный импеллер (не показан) в кожухе расположенного в носовой части в специальной нише судна, где движение происходит в закрытом пространстве, состоящий из статора и ротора на оси вращения, лопатки которого выполнены криволинейными и повернутыми в вертикальной плоскости с заданным углом относительно друг друга для увеличения сжатого потока воздуха в корпусе крепления, при этом каждый из двух винтов вращается за счет редуктора (не показано для упрощения). Закрытый участок 2 корпуса судна со стороны носовой части, который переходит в закрытый пневмоканал 3 и их днища расположены удаленными на некотором расстоянии выше нижних опорных концов скегов 4 и 5. При этом средняя носовая часть и днища корпуса выполнена коротким клиновидным реданом 6 с уменьшающейся длиной и высотой килеватностью в направлении от носовой части до окончания закрытого пневмоканала 3 от нагнетательного устройства (не показано) с нулевой килеватностью по отношению к боковым скегам 4 и 5. Закрытый пневмоканал 3 сообщен с открытым каналом 7 днища корпуса в кормовой его части, который ограничен продолжением боковыми скегами 4 и 5, находящихся на заглублении ватерлинии, соответствующей режиму крейсерской скорости.

В средней части под днищем закрытого пневмоканала 3 закреплен продольный напорный воздухопровод 8 в виде центрального редана днища 3 с воздушными выпускными отверстиями 9. К выпускным воздушным отверстиям 9 присоединены С-образующие профили продольных реданов 10, следующими друг за другом по длине основного напорного воздухопровода 8, концы, которых заглушены. В плане С-образующие продольные реданы 10 образуют как бы лыжеобразные выступы с выполненными отверстиями 11 с обратными клапанами для выхода сжатого воздуха вниз, которые ориентированы в сторону опорной поверхности воды. Увеличенная в районе под днищем закрытого пневмоканала 3 по ширине между выступающими ниже боковыми скегами 4 и 5 в сочетании с развитыми носовыми глиссирующими элементами и расположением клиновидного редана 6 позволяет стабилизировать поток выходящего сжатого воздуха как из закрытого пневмоканала 3, так и поступающий воздух из отверстий 11 С-образующих напорных продольных реданов 10 в сторону открытого канала 7, заканчивающегося в кормовой части корпуса. С-образующие продольные реданы 10, расположенные по длине основного продольного воздухопровода 8 (редана), закреплены снизу к прямоугольному днищу закрытого пневмоканала 3. Выполнение основного воздухопровода 8 с С-образующими профилями продольных реданов 10, расположенных на определенном расстоянии выше нижних опорных концов скегов 4 и 5, но ниже днища закрытого пневмоканала 3 с прямоугольным его днищем между выступающими скегами 4 и 5, обеспечивают в условиях даже на мелководье сохранение расчетной осадки судна и снижение его сопротивления в условиях движения при сильном волнении или на спокойной воде и возможность повреждения находящихся элементов выше нижних опорных концов скегов 4 и 5, в целом воздух создает эффект «воздушной смазки» и дополнительный эффект «воздушной подушки». Следует отметить, что С-образующие продольные реданы 10 выполнены в виде лыж, позволяющих обеспечить снижение сопротивления трения.

Часть воздуха от источника в виде импеллера (не показано) подводится к основному продольному воздухопроводу 8 прикрытым отбойным козырьком 12, высота которого не должна превышать соответствующую высоту проходного сечения закрытого пневмоканала 3, соединенного с закрытым участком 2 от источника воздуха.

При этом конец основного продольного воздухопровода 8 выполнен сужающимся в виде сопла 13 диффузора в области открытого канала 7.

Таким образом, формирование каверн под днищем судна 1 с подачей сжатого воздуха от источника принудительной подачи воздуха в реданы (трубы), которые выполнены определенной формы, закрепленные снизу днища закрытого пневмоканала 3. При этом используя продольный напорный воздухопровод 8, за счет образовавшихся воздушных каверн между С-образующими продольными реданами 10 обеспечивают снижения сопротивления трения судна при его движении. Кроме того, весь воздух смешивается в открытом канале 7, далее поступает в концевую часть судна, где для управления судна на сжатом пневмопотоке закреплены два руля 14 и 15 (фиг. 3), которые содержат щитки 16 и 17, ограничивающих общий канал 7 выхода газоводяного потока воздуха и воды. В результате чего в открытом снизу днища корпуса судна в сторону канала 7 образуется один общий газоводяной реактивный поток симметрично продольного закрытого пневмоканала 3 с выходом сжатого воздуха через основной продольный редан 8 и с С-образующих продольных реданов 10 с отсечением обтекаемого козырька 12 вначале закрытого пневмоканала 3 с газовым потоком под днище пневмоканала 3, и, смешения с водой.

В конце кормовой части корпуса целесообразно закрепить горизонтальный потоконаправляющий элемент, выполненный в виде П-образного козырька 18 с наклоном 20…30° к корпусу крепления кормовой части, который образует защитный экран сверху и частично с боков в кормовой части судна, шириной равной расстоянию до расположения рулевых устройств со щитками, а также возможность часть выходящего сжатого потока направить в опорную поверхность воды, что создает на усилие и продолжение выхода газоводяного потока в атмосферу, при этом отсутствует залив палубы сзади кормы. Ось вращения рулей 14 и 15 соединены сверху на палубе в одном узле 19 регулируемыми тягами 20 и 21 для соединения с общей тягой управления экипажем (аналогично рулю автомобиля).

Таким образом, для поворота судна используется как воздух, так и толщу воды.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В начале движения импеллер (не показан), расположенный в передней части корпуса 1, подает воздушную смесь высокого давления через сопло вначале в закрытый участок 2, далее в закрытый пневмоканал 3, при этом воздушная смесь, заполняя пневмоканал 3 и с помощью отбойного козырька 12, высота которого не превышает высоту закрытого пневмоканала 3, под углом по воздухопроводу 8 (фиг. 4) воздух проходит в С-образующие реданы 10 судна от работающего источника воздуха в виде импеллера. По воздухопроводу 8 сжатый воздух распределяется через выпускные отверстия 9 в С-образующие продольные реданы 10 с отверстиями 11 с обратными клапанами, что не позволяет воде поступать в С-образующие продольные реданы 10, а другая часть потока высокого давления направляется в конец воздухопровода 8 в виде также выполнения редана под днищем закрытого пневмоканала 3 в сужающее сопло 13 диффузора. В результате с помощью источника принудительной подачи воздуха в область продольных реданов 10 под днищем судна заполняется пространство, отведенное для этих целей объемы и, создавая тем самым и гидродинамической силы в целом, возникающих при начале движения судна на пневмопотоке, например, по водной поверхности, воздух создает эффект «воздушной смазки». Продольные С-образующие реданы 10 (в виде лыж) между бортовыми скегами 4 и 5 в рабочем положении образуют с днищем закрытого пневмоканала 3, образуют воздушное пространство за счет поступившего туда воздуха из отверстий 11, которые при движении судна создают с помощью С-образующих реданов 10 дополнительный эффект «воздушной подушки».

Следует также отметить, что боковые скеги 4 и 5, опорные концы которых расположены несколько ниже самих реданов 8 и 10, выполняют роль брызгоотражателей. В целом с этим с началом движения судна на пневмопотоке вся реактивная сила струй, соответственно, и тяга направлена не только в сторону опорной поверхности, но и в сторону между щитками 15 и 16 в конце кормы корпуса. Отсюда в целом увеличивается истечение и скорость, создается дополнительная тяга для движения вперед судна, а значит, при этом с подачей воздуха в днищевую полость под днищем закрытого пневмоканала уменьшается гидродинамическое сопротивление на эксплуатационных скоростях движения при практически постоянной мощности силовой установки в виде импеллера (затраты на подачу воздуха могут уменьшаться), чем достигается существенный прирост скорости хода и реализуется эффект воздушной каверны. Таким образом, С-образная кривизна продольных реданов по отношению крепления их к центральному основному продольному воздухопроводу (редану) с креплением к днищу закрытого пневмоканала и расположенных по ширине и длине прямоугольного днища корпуса, начиная от начала переходного закрытого участка и в сторону кормы, образуют глиссирующие поверхности таких реданов, оснащенными системой подачей воздуха в каверну, улучшает мореходные характеристики, и существенно снижают параметры килевой и бортовой качки при движении судна на пневмопотоке в условиях волнения. При движении на высокой скорости судно острым носом с коротким реданом прорезает волну, не успевая, вследствие инерционности, реагировать на циклическое изменения или поддержания, что обеспечивает экипажу и пассажирам комфортность при движении с высокой скоростью по волнам.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано особенно для маломерных судов на воздушной подушке, в результате повышаются эксплуатационные характеристики при создании быстроходных судов с улучшенной управляемостью у данного судна. Таким образом, в предлагаемом техническом решении эффективно используется весь общий воздушный поток от импеллера для создания роста хода судна с кавернами при неизменной мощности главного двигателя.

Предлагаемое судно на пневмопотоке в значительной степени имеет упрощение конструктивно по сравнению с прототипом; оно обладает большей эксплуатационной надежностью, и раскрытие сущности изобретения достаточны для его практической реализации при разработке и изготовлении данного судна на сжатом пневмопотоке.

Изобретение относится к области создания транспортных средств, использующих динамическую воздушную подушку. Предложено устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, содержащего корпус с килеватой носовой оконечностью и бортовыми глиссирующими скегами. Между скегами несколько выше расположено днище закрытого пневмоканала, к которому для формирования воздушной каверны под днищем закрытого пневмоканала закреплен основной продольный напорный воздухопровод, который выполнен в виде трубы-редана коллектора с С-образными продольными реданами, следующими друг за другом по длине основного воздухопровода и расположенными на определенном расстоянии выше нижних опорных концов скегов. Точки пересечений С-образных продольных реданов расположены на выпускных отверстиях основного воздухопровода. Конец основного воздухопровода выполнен сужающимся в виде сопла-диффузора. С-образующие реданы в конце заглушены, а с нижней их части выполнены отверстия для выхода сжатого воздуха вниз, в сторону опорной поверхности воды. Технический результат заключается в обеспечении повышенных показателей устойчивости судна при глиссировании и снижении гидродинамического сопротивления днища корпуса судна, особенно при движении на волнении. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, содержащего бортовые скеги и реданы, между которыми образуются воздушные полости, в которые воздух поступает по воздуховоду от источника воздуха в виде нагнетательного устройства, отличающееся тем, что между скегами расширяющегося днища образован закрытый пневмоканал с прямоугольным днищем, расположенным на некотором расстоянии выше нижних опорных концов скегов, заканчивающийся, не доходя до кормовой части, в который поступает от источника сжатый воздух, закрытый пневмоканал в своей нижней части под днищем выполнен с основным продольным напорным воздухопроводом в виде трубы-редана коллектора с С-образными продольными реданами, следующими друг за другом по длине основного продольного напорного воздухопровода, концы которых заглушены и в нижней части которых выполнены отверстия для выхода сжатого воздуха вниз, при этом отверстия ориентированы в сторону опорной поверхности воды, а точки пересечений с С-образными продольными реданами расположены по длине на основном воздухопроводе, соединенном с отверстием принудительной подачи воздуха по воздухопроводу от нагнетательного устройства в виде импеллера, воздух из сопла которого подается под днище судна в закрытый пневмоканал, при этом конец основного продольного воздухопровода выполнен сужающимся в виде сопла-диффузора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что основной продольный воздухопровод с С-образными реданами, образующие воздушную смазку, расположены на определенном расстоянии выше нижних опорных концов скегов, но ниже днища закрытого пневмоканала между выступающими скегами.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхние части С-образных продольных реданов закреплены к днищу закрытого пневмоканала, а нижние части имеют отверстия для выхода в зону воздушной подушки.