Судно на воздушной подушке и подводных крыльях

 

Изобретение относится к водным транспортным средствам на воздушной подушке и подводных крыльях и касается создания их пропульсивно-подъемной системы. Судно содержит поддонно расположенные бортовые скеги. Эти скеги являются элементами, участвующими в формировании воздушной подушки, и продолжением бортов вниз. Подводные крылья и движители прикреплены к скегам. К последним по их нижним краям с одного до другого прикреплено полотнище из нержавеющих стальных и пластмассовых нитей. Это полотнище содействует созданию относительно гомогенной водной среды между полотнищем и воздушной подушкой. Подводные крылья закреплены сверху к плоскому днищу судна. Его крепежные вертикально стоящие элементы удерживают наклонную часть крыла под углом 30 - 45^o и соединяют днище судна с горизонтальной частью крыла, имеющей направленные вниз скеги. Скеги наклонной части крыла направлены навстречу водному потоку. Впереди в носовой части судна и в его кормовой части подводные крылья соответствуют ширине трюма и по бокам прикреплены к бортовым скегам. На остальном поддонном пространстве подводные крылья соответствуют третьей части этой ширины с каждой стороны, а посредством подводных крыльев судно имеет возможность скольжения по поверхности воды или возможность выталкивания его выше ватерлинии на несколько метров для уменьшения лобового сопротивления воды и повышения скорости. Технический результат реализации изобретения заключается в повышении эффективности эксплуатации крупнотоннажных судов на воздушной подушке и подводных крыльях и в снижении лобового сопротивления этих судов. 7 з.п. ф-лы. 16 ил.

На данную тему имеется значительная литература. Наиболее близким аналогом и прототипом данной работы можно назвать судно, описанное в патенте США N 32220501A, МПК B 60 J 1/22, опубликованном 30.11.65 г. К аналогам работы можно отнести авторское свидетельство М.К. Пугина за N 1074099 от 26.6.1991 г. , авторское свидетельство N 477680 от 08.05.72 г. Н.И. Волкова, В.И. Алексеева и Полещука и работы ряда других авторов.

Использование воздушной подушки, подводных крыльев, скегов позволило существенно увеличить скорость передвижения судов, но в основном малого тоннажа.

Задача данного изобретения заключается именно в том, чтобы с помощью совершенствования системы из подводных крыльев, скегов, воздушной подушки, а также с помощью введения мощных колесных или винтовых движителей непосредственно под судно создать среднетоннажные, а в перспективе и многотоннажные корабли с высокой скоростью. Для этого требуется существенная модификация всех вышеописанных элементов с одновременным увеличением мощности моторов, которые в этом случае целесообразно переводить на атомное топливо, создавая для этого соответствующие атомные электростанции.

Колесные движители фактически вышли из употребления, особенно в морском судоходстве, так как на высокой волне значительная часть лопастей оказывается в воздухе, колесо проворачивается с повышенной скоростью, при столкновении с волной сильно деформируется и выходит из строя. Винтовые движители, пришедшие на смену колесным, имеют свои недостатки: за кормой можно установить один-два движителя, недостаточных для достижения высокой скорости.

Для решения этой задачи мы предлагаем создавать суда с плоским днищем /9/ и относительно широких, чтобы на дне можно было расположить мощные движители в окружении такого количества и качества подводных крыльев, которые бы смогли поднять судно над водой и обеспечить его движение по воздушной подушке. Для этого борта судна опускаются значительно вниз, образуя бортовые скеги /32/, к которым крепятся /а также и к днищу/ подводные крылья, состоящие в предлагаемой конструкции из горизонтальной /12/ и наклонной под углом 30 - 45 градусов /11/ Наклонная часть обеспечивает, при движении судна вперед, подъем судна над водой и образование воздушной подушки /20/, а горизонтальная увеличивает площадь опоры крыльев на воду и повышает возможность использования воздушной подушки на многотоннажных судах.

Бортовые скеги, кроме этого, прикрывают крепящиеся ко дну движители - колесные /15, 16/ или винтовые /17, 18/ от воздействия волн, а чтобы защитить механизмы и от ударов волн снизу к краям бортовых скегов /33/ на некотором расстоянии друг от друга /47/ крепится полотнище /34/, сделанное из нержавеющих стальных и пластмассовых струн и нитей. Таким образом создается относительно гомогенная водная среда, вредное механическое воздействие волн на механизмы при этом резко уменьшается.

Впереди, в носовой части подводные крылья идут от борта к борту, образуя тупой угол по срединной линии судна.

Такие же, но прямые, от борта к борту подводные крылья создаются на корме и везде там, где этому не мешают движители /фиг. 16/. Там же, где по оси судна располагается не один, а два или даже более движителей, в пространствах между ними располагаются подводные крылья, ширина которых равна четверти или трети ширины судна /фиг. 10/.

На фиг. 2 изображено подводное крыло с его наклонной /11/ и горизонтальной частями, как они видимы спереди с торца судна. Сзади их подпирают изображенные пунктиром держатели /10/ в данном случае в количестве пяти. На фиг. 3 видно, что два - на верхнем и нижнем уровнях-колесных движителей /15, 16/ разделяют подводное крыло на две равные части, каждая из которых имеет ширину примерно в треть ширины судна между боковыми или бортовыми скегами /32/. Причем, горизонтальная часть подводных крыльев со стороны, приближенной к оси судна имеет скеги /п. 14, фиг. 3/. С наружной стороны скег не нужен, поскольку его роль берет на себя бортовой скег. На фиг. 5 дано отдельное изображение подводного крыла вид спереди. Видна его наклонная часть /11/, горизонтальная - 12, опускающиеся вниз скеги горизонтальной части и идущие вперед - наклонной /14, 13/.

Эти же детали хорошо просматриваются на фиг. 1 - вид трюма и части, находящейся между бортовыми скегами, сбоку. Видно плоское дно судна /9/, наклонная /11/ и горизонтальная часть /12/ подводного крыла и их скеги /13, 14/, уровень воды - 22, воздушная подушка между дном и водой - п. 20, нижний край бортового скега /33/, несколько провисшее вниз полотнище /34/ и места его крепления /47/, которые могут быть и более частыми. На фиг. 1 и 10 сбоку и сверху показаны колесные /15, 16/ и винтовые /17, 18/ движители, а также отходящие от них вверх, в трюм, вертикальные соединительные стержни /7/ с конической шестеренкой, ведущие к мотору /41/. П. 26 изображен на фиг. 1 и 10 держатель колесных движетелй, крепящих их к дну судна. П. 45 обозначен компрессор, п. 46 - распределительная система, отростки которой идут через дно судна, держатели подводных крыльев, и заканчиваются "устьями" /49/ посередине и внизу наклонной части подводного крыла.

В судах предлагаемого типа возможно существование трех типов колесных движителей: полностью находящихся под дном корабля, занимающих также часть трюма и захватывающих большую или меньшую часть надстройки с возможным выходом за ее пределы. Первый вид показан на фиг. 1, 3, 4, 10. Движители первого типа могут занимать два положения: верхнее /п. 15/, находящийся в зоне воздушной подушки и нижнее /п. 16/ - находящийся в воде, между опущенными вниз бортами судна. "Двухэтажность" экономит место для движителей, позволяет продолжать движение, когда верхнее колесо войдет в зону воздушной подушки полностью и фактически прекратит работу.

Наиболее распространенным типом является второй тип, который характеризуется тем, что в дне судна образуется проем, который сверху герметично соединяется с кожухом /п. 42, фиг. 9/, сверху кожух крепится держателями /п. 27, фиг. 9/. Внутри образованного проема находится колесо, вал /п. 19/ которого располагается в центре колеса и крепится выше уровня дна судна в боковых стенках кожуха.

К валу крепится барабан с элементами фермы /п. 24, фиг. 9/, к которым прикрепляются доскообразные лопасти /п. 25/ или черпаки /43/ для захвата большего количества воды. Вал располагается на такой высоте, чтобы лопасти опускались в воду, пройдя зону воздушной подушки /20/, которая здесь располагается и внутри кожуха, под углом в 45 градусов и проходили в воде под оптимальными углами от 45 до 90 градусов /фиг. 9/. Держатели кожуха крепятся к потолку трюма /п. 2, фиг. 9/. В одной из боковых стенок кожуха находится дверь /44/ /фиг. 13/ для входа аквалангистов-ремонтников. Она должна герметично закрываться, так как давление в воздушной подушке намного выше атмосферного. Ширина колеса от 25 до 90% ширины судна.

Промежуточным вариантом первого же типа между первым и вторым положением может быть движитель во всю ширину трюма, у которого ось находится на уровне воды /фиг. 4/. Вал крепится к бортам /п. 28, фиг. 4/, на обоих его концах имеются конические шестеренки, связанные с таковыми у вертикальных стержней /п. 7/, которые выходят через дно в трюм, где таким же образом соединяются с горизонтальным стержнем /п. 50, фиг. 4/, в центре которого находится шестеренка /п. 6/, связывающаяся с шестеренкой /8/ мотора /41/. Такое расположение движителя дает эффективный результат, когда лопасти имеют форму черпаков, поскольку захват воды совершается при этом уже и на горизонтальной линии положения лопастей.

Третий вариант - колесо выходит в пределы надстройки или даже возвышается над нею. Как и во втором варианте имеет место кожух /п. 42, фиг. 14, 15, 16/, лопасти погружаются под углом в 45 - 90 градусов, имеется очень большая шестерня /48/, связанная со сравнительно небольшой шестеренкой мотора /8/ и, соответственно, мощный мотор /41/. Толстый вал /19/, большой барабан /23/, связанный с элементами фермы /24/, держащей лопасти /25/. Учитывая, что речь идет о крупнотоннажном судне, имеется мощная система подводных крыльев, занимающих все дно, кроме выемки для колеса. Такие системы могут применяться для крупных гражданских и военных судов.

Винтовая система также может быть представлена в нескольких вариантах. На фиг. 6, 7, 11 показаны три проекции винтового движителя. Он заключен в металлический цилиндр /35/, в центре проходит ось /21/, которая сзади опирается на подпятник /37/, заключенный в закругленную металлическую скобу /36/ по горизонтали. В центре спереди и сзади соединяющей края цилиндрической стенки движителя. По бокам располагаются держатели /п. 27, фиг. 7/, крепящие движитель к дну судна. Спереди, к скобе /36/ крепится металлический кожух /39/, в котором под прямым углом сочленяются конусообразные шестереночные концы оси винтового движителя /21/ и вертикального соединяющего стержня /7/. Он идет вверх, проходит муфту выступа корпуса движителя /29/, муфту днища /40/ идет к мотору /41, фиг. 1, 3, 7/ При этом вертикальный стержень может обслуживать и верхний и нижний /17, 18, фиг. 1, 3/ движители.

В центре оси винтового движителя располагается система из 2 - 3 - 4 лопастей /п. 36, фиг. 6, 7, 11 и др./. Вдоль оси трюма можно создать цилиндрический или квадратный туннель, внутри которого расположить на равном расстоянии друг от друга несколько таких винтовых систем. Возможен вариант, при котором каждая имеет свой вертикальный стержень с мотором в трюме и у каждого своя ось, или вариант с общей осью или валом, на котором крепится несколько комплектов лопастей, а вертикальный стержень один и один мотор, или два стержня, соединяющихся в трюме соединительным горизонтальным стержнем/ п. 50, фиг. 4/ с шестеренкой и одним мощным мотором /41, фиг. 4/.

В принципе для больших кораблей гражданского или военного назначения возможно создание целого ряда таких туннелей /п. 30, фиг. 8/ и даже несколько их слоев /п. 17, 18, фиг. 12/. Они крепятся к дну, бортовым скегам, между собой держателями /п. 27, фиг. 8, 12, 13/. Конечно, за кормой можно было бы поставить два сверхмощных движителя, по мощности в совокупности могущих заменить целую систему туннелей с винтами, но они вызовут такие сильные потоки воды, которые приведут к дрожанию корпуса и деформациям механизмов корабля, в то время как в туннелях напряжение от потока гасится его стенками.

Перевод многотоннажного водного транспорта на подводные крылья и воздушные подушки и прочие указанные приспособления будут осуществляться постепенно вместе с ростом энерговооруженности кораблей и мощности моторов и движителей. Первоначально они могут быть и недостаточны, чтобы вытащить "на крыло", особенно его опорную горизонтальную часть, многотонную махину.

Однако такие корабли имеют принципиальное преимущество перед обычными: у обычного корабля чем выше скорость, тем сильнее сопротивление воды, особенно лобовое, так что приращение скорости требует прогрессирующего роста энергозатрат и мощности моторов. У кораблей же предлагаемой конструкции чем выше будет достигнутая скорость, тем, в силу все большего выталкивания корабля вверх будет сильнее ослабевать лобовое сопротивление, так что повышение скорости будет рождать основы для ее дальнейшего роста.

Поэтому целесообразно уже сейчас создание целого промежуточного класса кораблей, имеющих плоское дно, до предела насыщенное подводными крыльями указанной конструкции, воздушные подушки и колесные или винтовые движители, предложенные в этой работе, а также бортовые скеги и другие особенности. Такие корабли будут подниматься над ватерлинией на несколько метров, в огромной степени облегчая свое движение и увеличивая свою скорость. И рано или поздно развитие такой тенденции приведет к тому, что даже океанские лайнеры "встанут на крыло" и будут передвигаться со скоростями, превышающими существующие в несколько раз. Может существенно измениться сама конфигурация таких кораблей - ширина днища должна возрасти при этом очень сильно и корабль книзу будет не сужаться, как обычно, а расширяться. Это необходимо для повышения его остойчивости и увеличения размеров и мощи воздушной подушки и всей системы подводных крыльев. А чтобы трение дна о воду существенно не возрастало, необходимо увеличить мощность компрессоров, толщину и ширину "воздушных подушек" и "воздушной смазки".

Таким кораблям будет принадлежать будущее.

Условные обозначения 1 - потолок трюма корабля сбоку 2 - потолок трюма корабля с торца 3 - носовая часть корабля 4 - корма корабля 5 - надстройка корабля 6 - шестеренка на верхнем соединяющем валу 7 - вертикальный соединяющий стержень
8 - шестеренка мотора
9 - дно судна
10 - крепежные держатели подводных крыльев
11 - наклонная часть подводного крыла
12 - горизонтальная часть подводного крыла
13 - скеги наклонной части подводного крыла
14 - скеги горизонтальной части подводного крыла
15 - верхнее колесо колесного движителя
16 - нижнее колесо колесного движителя
17 - верхний винтовой движитель
18 - нижний винтовой движитель
19 - вал колесного движителя
20 - воздушная подушка
21 - ось винтового движителя
22 - уровень воды
23 - барабан большого колеса
24 - элементы фермы, соединяющей барабан с лопастями колеса
25 - "доски" - лопасти, укрепленные на элементах фермы колеса
26 - крепящие стойки колесного движителя при его срединном расположении по оси дна судна.

27 - крепление стенок движителей и кожуха к бортовым скегам, дну и потолку трюма корабля
28 - крепление широкого колесного движителя к бортовым скегам
29 - выступ корпуса винтового движителя для муфты вертикального соединяющего стержня
30 - круговой цилиндр с множеством винтовых движителей
31 - квадратный цилиндр с множеством винтовых движителей
32 - бортовые скеги /продолжение вниз бортов судна/
33 - нижний край бортового скега
34 - полотнище из металлических и пластмассовых струн, соединяющее противоположные борта судна
35 - цилиндрическая стенка винтового движителя
36 - закругленная металлическая скоба, соединяющая по горизонтали задние края корпуса винтового движителя
37 - подпятник, располагающийся под скобой /п. 36/ и задним концом оси винта
38 - лопасти винта винтового движителя
39 - металлический кожух, облекающий единой оболочкой и соединяющий конические шестеренки на концах передней части оси винтового движителя и вертикального соединяющего стержня
40 - муфта в днище корабля, через которую проходит вертикальный соединяющий стержень
41 - мотор
42 - кожух над колесом
43 - лопастки с ковшом, для большего загребания воды
44 - входная дверь для входа в "воздушную подушку"
45 - компрессор для нагнетания воздуха в "подушку"
46 - распределительная сеть от компрессора до "подушки"
47 - большая шестеренка крупного колесного движителя
49 - "устья" у выходов распределительной системы
50 - верхний соединяющий валн

Формула изобретения

1. Судно на воздушной подушке и подводных крыльях, содержащее поддонно расположенные бортовые скеги, являющиеся элементами, участвующими в формировании воздушной подушки, и продолжением бортов вниз, причем к скегам прикреплены подводные крылья и движители, отличающееся тем, что к скегам по их нижним краям с одного до другого прикреплено полотнище из нержавеющих стальных и пластмассовых нитей, содействующее созданию относительно гомогенной водной среды между полотнищем и воздушной подушкой.

2. Судно по п.1, отличающееся тем, что подводные крылья закреплены сверху к плоскому днищу судна, его крепежные вертикально стоящие элементы удерживают наклонную часть крыла под углом 30 - 45^o и соединяют днище судна с горизонтальной частью крыла, причем наклонная часть имеет скеги, направленные навстречу водному потоку, а горизонтальная часть - скеги, направленные вниз, при этом подводные крылья впереди в носовой части судна и в его кормовой части соответствуют ширине трюма и по бокам прикреплены к бортовым скегам, на остальном поддонном пространстве подводные крылья соответствуют третьей части этой ширины с каждой стороны, а судно с помощью подводных крыльев имеет возможность скольжения по поверхности воды или возможность выталкивания его выше ватерлинии на несколько метров для уменьшения лобового сопротивления воды и повышения скорости.

3. Судно по п.1, отличающееся тем, что оно имеет возможность образования воздушной подушки между бортовыми скегами, передним и задним подводными крыльями посредством захода воздуха под днище при подъеме судна на подводных крыльях и в основном с помощью расположенного в трюме компрессора, воздухораспределительной системы и ответвлений от нее, идущих через днище и крепежные вертикально стоящие опорные пластины подводных крыльев, путем выпуска воздуха через устья в этих ответвлениях, образующего воздушную смазку пластинки подводного крыла, толщина которой увеличена скегами подводных крыльев, при этом судно имеет колесные движители, лопасти которых имеют возможность опускания в воду под оптимальным углом атаки при наличии воздушной подушки, необходимой при этом и для подъема судна на подводные крылья.

4. Судно по п.1, отличающееся тем, что оно имеет колесный движитель, колесо которого расположено под днищем и имеет возможность захвата воды на глубину, при которой лопасти движителя имеют возможность погружения в воду под оптимальным углом атаки от 45 до 90^o, а ширина колеса находится в пределах от одной четверти ширины трюма до 80 - 90% от этой ширины.

5. Судно по п. 1, отличающееся тем, что оно имеет колесный движитель, колесо которого занимает часть трюма и герметично прикрыто кожухом.

6. Судно по п.1, отличающееся тем, что оно имеет колесный движитель с колесом, имеющим герметичный кожух, причем колесо и кожух выходят за пределы трюма в надстройку.

7. Судно по п.1, отличающееся тем, что прикрепленные к скегам движители выполнены винтовыми, расположены в один или несколько рядов, в один или два слоя и заключены в туннель круглой или квадратной формы, при этом каждый из винтовых движителей имеет сочленение оси винта с вверх поднимающимся стержнем, проходящим с помощью муфты в трюм к передаточному стержню, связанному конической шестерней с мотором.

8. Судно по п.1, отличающееся тем, что движители выполнены в виде винтовых систем одного туннеля, при этом винты находятся на общем валу с выходом вверх в трюм к мотору с одного или двух концов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16