Способ повышения пропульсивных качеств подводного аппарата при создании тяги Российский патент 2024 года по МПК B63B1/32 B63H11/00 

Изобретение относится к судостроению, конкретнее к подводным аппаратам полных обводов и позволяет снизить энергозатраты при создании тяги путем повышения пропульсивных качеств подводных аппаратов.

Известен способ создания тяги любого направления на транспортном средстве (см. пат. RU №2127692 «Способ создания тяги любого направления на транспортном средстве», опубл. 20.03.1999, кл. МПК: B63G 8/08, 8/14, В63Н 25/42, 5/00). Способ создания тяги любого направления на транспортном средстве заключается в том, что создают тягу движителем, которая перемещает корпус транспортного средства. При этом движитель выполняют в виде каналов с рабочими органами и устанавливают возле корпуса с зазорами в виде щелей, через которые производят тангенциальный вдув и/или отсос жидкости на криволинейной поверхности корпуса. Достигается снижение энергозатрат при создании тяги любого направления путем активного управления пограничным слоем на криволинейной поверхности корпуса транспортного средства.

Недостатки данного способа создания тяги связаны с трудностями в реализации маневрирования транспортного средства по курсу, что снижает его надежность, живучесть и может быть причиной навигационных аварий.

Известен «Высокоманевренный автономный необитаемый подводный аппарат» (пат. RU №2112694, опубл. 10.06.1998, МПК: B63G 8/00), где автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА) содержит корпус аппарата и движительную установку, включающую группу, в том числе из четырех кормовых маршевых двигателей, расположенных под углом к продольной оси аппарата.

Недостатком предложенной конструкции АНПА, является невозможность организовать значительную продолжительность ламинарного омывающего корпус АНПА потока при сужении в кормовой части, что ведет к понижению эффективности работы винтов маршевых двигателей и неэффективной работе стабилизаторов в турбулентном потоке.

Известен также «Способ повышения пропульсивных качеств судов при создании тяги» (пат. RU №2228873, опубл. 20.05.2004, МПК: В63В 1/32, 1/34, В63Н 11/04) - взятый за прототип, заключающийся в том, что на судне с установленным на нем основным движителем, создающим тягу, в носовой и кормовой его оконечностях из цилиндрических ниш с входными и выходными плоскими щелевыми каналами посредством установленных в них вспомогательных роторных движителей производят соответственно тангенциальный отсос и подачу воды на поверхность корпуса для снижения сопротивления воды движению корпуса и эффективного гидродинамического взаимодействия основного движителя с корпусом судна.

Недостатки данного способа повышения пропульсивных качеств судов при создании тяги связаны с трудностями в реализации маневрирования судна, что снижает его надежность, живучесть и может быть причиной навигационных аварий.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение пропульсивных качеств подводного аппарата при создании тяги с возможностью эффективного маневрирования как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, что повышает его надежность, живучесть и уменьшает вероятность навигационных аварий.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый способ повышения пропульсивных качеств подводного аппарата при создании тяги заключается в том, что на корпусе подводного аппарата устанавливают не менее четырех маршевых движителей по окружности кормовой части для обеспечения тяги вдоль оси подводного аппарата, маневрирования в вертикальной и горизонтальной плоскости и устанавливают такое же количество стабилизаторов между маршевыми движителями, устанавливают также движитель в кормовой оконечности подводного аппарата из цилиндрических ниш с входными и выходными плоскими щелевыми каналами, в которых, посредством расположенных в них вспомогательных роторных движителей производят соответственно тангенциальный отсос и подачу воды на поверхность корпуса для снижения сопротивления воды движению корпуса, при этом выходные плоские щелевые каналы размещают перед каждым стабилизатором в кормовой части подводного аппарата в области, где начинает уменьшаться диаметр корпуса и этим максимально устраняют отрывные явления, чем увеличивают эффективную площадь стабилизаторов и, одновременно, обеспечивают эффективное гидродинамическое взаимодействие маршевых движителей с корпусом судна с помощью ламинаризации потока.

Существенность отличий предлагаемого способа от прототипа определяется следующим. Рассмотрим вариант с четырьмя маршевыми движителями. Установка перед четырьмя стабилизаторами подводного аппарата четырех цилиндрических ниш с входными и выходными плоскими щелевыми каналами с отсосом и подачей воды на поверхность корпуса обеспечивает улучшение взаимодействия четырех маршевых движителей с потоком воды, увеличение эффективной площади стабилизаторов, что позволяет повысить пропульсивные качества и маневренные характеристики подводного аппарата, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости.

Таким образом, совокупность указанных существенных признаков позволяет обеспечить достижение нового технического результата, а именно:

- повысить надежность и живучесть подводного аппарата;

- уменьшить вероятность навигационных аварий.

Сущность способа повышения пропульсивных качеств подводного аппарата при создании тяги поясняется чертежами, где

на фиг. 1 - показана схема, отражающая общий вид подводного аппарата;

на фиг. 2 - показана схема, отражающая вид на правый борт подводного аппарата;

на фиг. 3 - показана схема, отражающая сечение корпуса подводного аппарата в плоскости, содержащей вспомогательные роторные движители;

на фиг. 4 - показана схема, отражающая сечение верхнего вспомогательного роторного движителя левого борта;

на фиг. 5 - показана схема, отражающая сечение верхнего вспомогательного роторного движителя правого борта;

на фиг. 6 - показана схема, отражающая сечение нижнего вспомогательного роторного движителя левого борта;

на фиг. 7 - показана схема, отражающая сечение нижнего вспомогательного роторного движителя правого борта;

на фиг. 8 - показана схема, отражающая зону отрыва и турбулизации потока в районе кормовой оконечности подводного аппарата без работы вспомогательных роторных движителей;

на фиг. 9 - показана схема, отражающая зону ламинаризации потока в районе кормовой оконечности подводного аппарата с работой вспомогательных роторных движителей.

Подводный аппарат состоит из корпуса 1, стабилизаторов 2, 3, 4, 5, вспомогательных роторных движителей 6, 7, 8, 9, роторов 10, 11, 12, 13, цилиндрических ниш 14, 15, 16, 17, входных щелевых каналов 18, 19, 20, 21, выходных щелевых каналов 22, 23, 24, 25, приводов 26, 27, 28, 29, маршевых движителей 31, 32, 33, 34.

Для повышения пропульсивных качеств подводного аппарата при создании тяги в кормовой оконечности корпуса 1 подводного аппарата перед стабилизаторами 2, 3, 4, 5 в области, где начинает уменьшаться диаметр корпуса 1 подводного аппарата устанавливают вспомогательные роторные движители 6, 7, 8, 9. Вспомогательные роторные движители имеют роторы 10, 11, 12, 13 с возможностью вращения с реверсом в цилиндрических нишах 14, 15, 16, 17, входные щелевые каналы 18, 19, 20, 21, выходные щелевые каналы 22, 23, 24, 25 через которые сообщаются с окружающей средой. Роторы 10, 11, 12, 13 вращают посредством приводов 26, 27, 28, 29 для создания потока во входных щелевых каналах 18, 19, 20, 21 и выходных щелевых каналах 22, 23, 24, 25. Профили поперечного сечения роторов 10, 11, 12, 13 могут быть любых форм, которые при их вращении обеспечивают неперетекание жидкости из выходных щелевых каналов 22, 23, 24, 25 во входные щелевые каналы 18, 19, 20, 21 через цилиндрические ниши 14, 15, 16, 17. Стрелками 30 показаны направления отсоса и подачи жидкой среды через входные щелевые каналы 18, 19, 20, 21 и выходные щелевые каналы 22, 23, 24, 25, когда вращают роторы 10, 11, 12, 13.

При перемещении корпуса 1 подводного аппарата со стороны окружающей среды на него действует сопротивление, состоящее: из сопротивления трения, зависящего от величины смоченной поверхности корпуса 1 и вызывающего попутный поток трения; из сопротивления формы, зависящего от геометрии обводов корпуса 1, которое в окружающей воде вызывает попутный поток от перепада давления по длине корпуса 1; из отрывного вихревого сопротивления в корме корпуса 1, которое может иметь существенное значение для подводных аппаратов, имеющих полные обводы корпуса 1. При этом в условиях эксплуатации подводного аппарата маршевые движители 31, 32, 33, 34 работают вблизи кормовой оконечности корпуса 1, которая искажает поток на маршевые движители 31, 32, 33, 34. Поэтому местные скорости потока в пределах маршевых движителей 31, 32, 33, 34 отличаются по величине и направлению, т.е. поле скоростей неоднородно. Это показывает существенное влияние сопротивления воды движению корпуса 1 и менее эффективное гидродинамическое взаимодействие маршевых движителей 31, 32, 33, 34 с корпусом 1 по сравнению со случаем работающих роторных движителей 6, 7, 8, 9. В случае неработающих роторных движителей 6, 7, 8, 9 взаимодействие маршевых движителей 31, 32, 33, 34 с корпусом 1 ухудшает пропульсивные качества, что связано с существованием отрыва пограничного слоя на корпусе 1 в районе кормы и влиянием отрыва на работу маршевых движителей 31, 32, 33, 34. В целом это приводит к повышению энергозатрат при создании тяги.

В предлагаемом техническом решении для создания тяги, обеспечивающей поступательное движение вперед корпуса 1, приводят в действие маршевые движители 31, 32, 33, 34. Одновременно на вспомогательных роторных движителях 6, 7, 8, 9 посредством приводов 26, 27, 28, 29 вращают роторы 10, 11, 12, 13 в цилиндрических нишах 14, 15, 16, 17. Создают поток во входных щелевых каналах 18, 19, 20, 21 и выходных щелевых каналах 22, 23, 24, 25 и производят отсос на входе и подачу на выходе жидкости в направлении стрелок 30. Для более эффективного маневрирования подводного аппарата в горизонтальной и вертикальной плоскости возможно включение лишь некоторых из вспомогательных роторных движителей 6, 7, 8, 9 обеспечивающих лучшие условия работы лишь определенных маршевых движителей 31, 32, 33, 34 при маневрировании. Отсос и подача жидкости (стрелки 30) на поверхности корпуса 1 изменяют силовые и моментные характеристики поля давления, которое действует на корпус 1 в области кормовой оконечности подводного аппарата, тем самым, за счет уменьшения отрывных явлений и ламинаризации потока увеличивается эффективная площадь стабилизаторов 2, 3, 4, 5. Потери энергии исходного пограничного слоя восполняются энергией при отсосе и подаче. Таким образом, отсасываемая и подаваемая струи (стрелки 30) по касательной к кормовой оконечности корпуса 1 снижают сопротивление трения окружающей воды о поверхность корпуса 1 и ламинаризуют пограничный слой. При обтекании кормовой оконечности корпуса 1 подводного аппарата полных обводов возможен отрыв пограничного слоя. С помощью отсоса и подачи (стрелки 30) в кормовой оконечности корпуса 1 уменьшают сопротивление формы, связанное с отрывом пограничного слоя. Также при отсосе и подаче (стрелки 30) вспомогательными роторными движителями 6, 7, 8, 9 в кормовой оконечности корпуса 1 формируют более равномерный и менее турбулентный поток, набегающий на маршевые движители 31, 32, 33, 34, что повышает пропульсивные качества подводного аппарата. Поэтому посредством вспомогательных роторных движителей 6, 7, 8, 9 с помощью отсоса и подачи (стрелки 30) уменьшают сопротивление воды движению корпуса 1, увеличивают эффективную площадь стабилизаторов, что позволяет подобрать более оптимальные режимы работы маршевых движителей 31, 32, 33, 34, и осуществлять более эффективное гидродинамическое взаимодействие маршевых движителей 31, 32, 33, 34 с корпусом 1 подводного аппарата, что повышает пропульсивные качества подводного аппарата и улучшает его маневренные характеристики как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости.

В результате предложен способ повышения пропульсивных качеств подводного аппарата при создании тяги за счет снижения сопротивления воды движению корпуса и осуществления эффективного гидродинамического взаимодействия маршевых движителей с корпусом судна как на прямом ходу, так и при маневрировании, что снижает энергозатраты подводного аппарата.

Заявителем были проведены исследования рассматриваемого технического решения «Способ повышения пропульсивных качеств подводного аппарата при создании тяги», где в качестве объекта математического моделирования выбран подводный аппарат, обладающий описанными выше конструктивными особенностями. Анализ полученных результатов математических экспериментов показал, что при использовании предлагаемого способа повышается эффективность работы маршевых движителей и обеспечивается лучшее маневрирование в вертикальной и горизонтальной плоскости подводного аппарата за счет устранения отрывных явлений и ламинаризации потока, что соответственно ведет к увеличению надежности, живучести подводного аппарата, уменьшению вероятности навигационных аварий.

Изобретение относится к судостроению, а именно к подводным аппаратам полных обводов. Способ повышения пропульсивных качеств подводного аппарата при создании тяги заключается в том, что на корпусе подводного аппарата устанавливают не менее четырех маршевых движителей по окружности кормовой части для обеспечения тяги вдоль оси подводного аппарата, маневрирования в вертикальной и горизонтальной плоскости и устанавливают такое же количество стабилизаторов между маршевыми движителями. Устанавливают также движитель в кормовой оконечности подводного аппарата из цилиндрических ниш с входными и выходными плоскими щелевыми каналами, в которых посредством расположенных в них вспомогательных роторных движителей производят соответственно тангенциальный отсос и подачу воды на поверхность корпуса для снижения сопротивления воды движению корпуса. Выходные плоские щелевые каналы размещают перед каждым стабилизатором в кормовой части подводного аппарата в области, где начинает уменьшаться диаметр корпуса. Достигается повышение надежности, живучести подводного аппарата и уменьшается вероятность навигационных аварий. 9 ил.

Способ повышения пропульсивных качеств подводного аппарата при создании тяги, заключающийся в том, что на корпусе подводного аппарата устанавливают четыре маршевых движителя по окружности кормовой части для обеспечения тяги вдоль оси подводного аппарата, маневрирования в вертикальной и горизонтальной плоскости и устанавливают такое же количество стабилизаторов между маршевыми движителями, устанавливают также движитель в кормовой оконечности подводного аппарата из цилиндрических ниш с входными и выходными плоскими щелевыми каналами, в которых посредством расположенных в них вспомогательных роторных движителей производят соответственно тангенциальный отсос и подачу воды на поверхность корпуса для снижения сопротивления воды движению корпуса, отличающийся тем, что выходные плоские щелевые каналы размещают перед каждым стабилизатором в кормовой части подводного аппарата в области, где начинает уменьшаться диаметр корпуса.