Способ снижения гидродинамического сопротивления движению судна и устройство для его осуществления

Авторы патента:

B63B1/38 - Суда и прочие плавучие средства; оборудование для судов (транспортные средства на воздушной подушке B60V; устройства для вентиляции, обогрева, охлаждения или кондиционирования на судах B63J 2/00)

Владельцы патента RU 2653664:

Фролов Сергей Михайлович (RU)
Платонов Сергей Вячеславович (RU)

Изобретение относится к области судостроения и касается, в частности, вопросов улучшения гидродинамических качеств транспортных судов. Предложен способ снижения гидродинамического сопротивления движению судна за счет профилирования днища и организации процесса сгорания в каверне, основанный на формировании и использовании направленного потока продуктов сгорания, при этом процесс сгорания включает этапы воспламенения горючей смеси в полости каверны на участке между щелью в области входного сечения каверны и отбойной пластиной-стабилизатором горения, сгорания смеси в турбулентном режиме, стабилизации турбулентного пламени и формирования направленного потока продуктов горения, движущегося вдоль продольной оси днища по направлению к выходному сечению каверны, где формируется реактивная струя. Предложено также устройство для реализации данного способа. Технический результат заключается в уменьшении составляющей сопротивления трения, снижении остаточного сопротивления судна и создании дополнительной движущей силы. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Область техники

Изобретение относится к судостроению и касается вопросов улучшения гидродинамических качеств транспортных судов за счет организации под днищем искусственных газовых каверн, частично изолирующих днище от прямого контакта с водой и обеспечивающих «газовую смазку» с помощью принудительной подачи атмосферного воздуха или выхлопных газов из основной двигательной установки.

Одна из важнейших проблем, стоящих на пути эффективного применения каверны для снижения гидродинамического сопротивления, - наличие не покрытых газовой каверной участков днища, расположенных в районе движителя (водозаборник водометного движителя или обводы трансмиссии гребного винта). Вследствие этого остается замытой водой значительная площадь днища, а возможности газовой каверны для снижения буксировочного сопротивления используются недостаточно полно.

Предшествующий уровень техники

Известно водоизмещающее судно с воздушными кавернами на днище, предложенное в патенте RU 2461489, В63В 1/38 (2006.01), опубл. 20.03.2012. Изобретение относится к судостроению и касается конструирования водоизмещающего судна с воздушными кавернами на днище. Водоизмещающее судно с воздушными кавернами на днище оборудовано устройством для создания под днищем искусственных каверн, включающим систему кавернообразования, состоящую из следующих друг за другом по длине судна расположенных на днище поперечных насадков в виде наклонных пластин и побортно установленных на днище продольных ограничительных килей. Судно имеет также источник принудительной подачи по трубопроводам воздуха под днище судна для создания и поддержания образованных за поперечными насадками каверн. Система кавернообразования выполнена убирающейся, для чего поперечные насадки и продольные кили выполнены с возможностью их раскрытия и складывания с прилеганием к днищу путем их поворота вокруг своих продольных осей, расположенных на днище судна.

Недостаток изобретения заключается в сложности конструкции системы кавернообразования, что снижает ее надежность.

Известно судно на воздушной каверне с водометным движителем, предложенное в патенте RU 2381131, В63В 1/38, В63Н 11/08 (2006.01), опубл. 10.02.2010. Изобретение относится к судостроению и касается создания скоростных глиссирующих судов, эксплуатируемых в мелководных районах. Скоростное судно с воздушной каверной на днище для мелководных акваторий состоит из корпуса с воздушной каверной на днище, силовой установки и движительной установки в виде двух водометов с рулевым и реверсивным устройствами. С целью обеспечения эксплуатации на полных скоростях движения в мелководных акваториях с высокой надежностью и без нарушения экологических условий водоемов каждый водомет снабжен водоводом с увеличенным водозаборником, состоящим из двух участков (приемных сечений), один из которых располагается на уширенном участке скега (ограждении) каверны, а второй - на бортовой части судна. С целью уменьшения силы присасывания корпуса ко дну водоемов бортовое приемное сечение может быть сделано в 2-3 раза больше днищевого. Для предотвращения попадания воздуха извне в водомет верхняя кромка бортового приемного сечения водозаборника может размещаться ниже ватерлинии на 250-300 мм на крейсерской скорости.

Недостаток изобретения заключается в неполном использовании преимуществ газовой каверны для уменьшения буксировочного сопротивления судна из-за наличия участков днища, замытого в местах установки водометных движителей.

Известно водоизмещающее судно с воздушной каверной на днище с дифферентно-креновой системой RU 2601997, В63В 1/38, В63Н 11/08 (2006.01), опубл. 10.02.2010. Изобретение относится к области судостроения и касается морских крупнотоннажных транспортных судов с искусственной каверной на днище с дифферентно-креновой системой, предназначенных для эксплуатации в ледовых полях, в том числе в условиях малых глубин Балтийского моря и Арктического шельфа. Предложенное судно имеет в днище выемку для образования единой воздушной каверны с волновым профилем, начинающуюся с редана в носовой части и ограниченную скегами по бортам и кормовым сводом в виде наклонной пластины. Полость выемки сообщена с системой подачи воздуха и с системой стравливания воздуха из нее. Внутри выемки размещены продольные кили, разделяющие выемку на продольные секции, и поперечные козырьки в виде наклонных пластин, следующих друг за другом вниз по потоку. Системы стравливания и подачи воздуха в продольных секциях выемки, а также в носовой и кормовой частях каждой продольной секции, ограниченных козырьками, выполнены независимыми друг от друга с возможностью раздельной подачи и стравливания воздуха.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является устройство для снижения гидродинамического сопротивления движению судна, реализованное в быстроходном судне с газовыми кавернами и водометными движителями, известному по патенту RU 2139807, В63В 1/08, В63В 1/10, В63В 1/38, В63В 3/42, опубл. 20.10.1999. Изобретение касается профилирования днищевых обводов корпуса быстроходного судна с газовыми кавернами и водометными движителями. Каждый из этих движителей имеет обтекатель водозаборника. Быстроходное судно содержит корпус с бортовыми скулами, скегами и транцем. Его днище имеет один и более поперечных реданов. Судно выполнено с системой подачи воздуха или газа для формирования искусственных газовых каверн в пространстве между реданами, боковыми скегами и транцем. Участки днища корпуса по обе стороны от обтекателей водозаборников водометных движителей в районе концевой части обтекателей выполнены с отрицательной или обратной килеватостью шпангоутов. Судно может иметь два и более корпусов. Оно может дополнительно оборудоваться движителями, отличными от водометных.

Недостаток изобретения заключается в неполном использовании преимуществ газовой каверны для уменьшения буксировочного сопротивления судна из-за наличия участков днища, замытого в районе водозаборника водометного движителя.

К недостаткам устройства-прототипа следует отнести неполное использование преимуществ газовой каверны для уменьшения буксировочного сопротивления судна из-за наличия участков днища, замытого в районе водозаборника водометного движителя.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание способа снижения гидродинамического сопротивления движению судна за счет профилирования днища и организации процесса сгорания в каверне, что позволит не только частично изолировать днище от прямого контакта с водой и обеспечить «газовую смазку» с помощью продуктов сгорания, но и повысить тяговое усилие за счет воздействия продуктов сгорания на тяговые стенки каверны.

Задачей изобретения является также создание устройства для осуществления способа снижения гидродинамического сопротивления движению судна, состоящего из профилированного днища с каверной, одного или нескольких движителей любого типа и системы подачи воздуха, в котором сгорание топливной смеси в каверне происходит в турбулентном режиме, а в выходной части каверны формируется струя истекающих продуктов сгорания, которая обеспечивает дополнительную тягу, при этом уменьшается площадь днища, замытого водой, так как в результате сгорания в полости каверны развивается значительное избыточное давление продуктов сгорания.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:

- способом снижения гидродинамического сопротивления движению судна за счет профилирования днища и организации процесса сгорания в каверне, включающим подачу воздуха в полость каверны, в котором поток воздуха в каверне движется вдоль продольной оси днища, а в области входного сечения каверны в поток воздуха впрыскивается топливо (или вместо воздуха подается готовая горючая смесь), образующее с воздухом горючую смесь, воспламеняемую слабым источником зажигания, а после стабилизации турбулентного пламени формируется поток продуктов сгорания, движущийся по направлению к выходному сечению каверны, где формируется реактивная струя, при этом не только существенно снижается гидродинамическое сопротивление движению судна за счет снижения составляющей сопротивления трения из-за уменьшения площади днища, находящегося в контакте с водой, но и создается дополнительная движущая/толкающая сила,

- устройством для осуществления способа снижения гидродинамического сопротивления движению судна, включающим профилированное днище с каверной, с одним или несколькими движителями любого типа, и систему подачи воздуха, в котором согласно изобретению на входе в каверну параллельно днищу напротив щели подачи воздуха в каверну установлена рассеивающая пластина, система питания обеспечивает подачу топлива в полость каверны через форсунки, расположенные в рассеивающей пластине, система зажигания обеспечивает инициирование процесса сгорания с помощью слабого источника зажигания.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства.

На фиг. 2 приведена расчетная схема предлагаемого устройства.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства.

Устройство состоит из каверны 1, образованной профилированным днищем 2 судна и реданом 3, системы подачи воздуха (на фиг. не показана), входной щели 4 подачи воздуха, отбойной пластины-стабилизатора горения 5, системы подачи топлива (на фиг. не показана) и системы зажигания (на фиг. не показаны), а также выходного сопла 6, образованного поверхностью профилированного днища 2, транцем 7 и поверхностью воды.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Воздух нагнетается в каверну 1 через входную щель 4 и благодаря отбойной пластине-стабилизатору горения 5 направляется вдоль профилированного днища 2 к выходному соплу 6. Топливо подается в область между входной щелью 4 и отбойной пластиной-стабилизатором горения 5, где происходит подготовка горючей смеси, а затем зажигание образованной горючей смеси слабым источником зажигания. После кратковременного переходного периода в области отбойной пластины-стабилизатора горения 5 со стороны выходного сопла 6 пламя стабилизируется: со стороны входной щели 4 поступает образованная горючая смесь, а продукты горения движутся по направлению от пламени к выходному соплу 6. При этом в каверне формируется поток продуктов горения, который позволяет существенно снизить гидродинамическое сопротивление движению судна за счет уменьшения составляющей сопротивления трения, поскольку уменьшается площадь днища, находящаяся в контакте с водой, а так же за счет снижения составляющей остаточного сопротивления, поскольку у судов с каверной кривизна водной поверхности, вытесняемой судном, намного меньше, чем у классических глиссеров. Кроме того, эффект расширения продуктов горения в дополнение к снижению гидродинамического сопротивления приводит к созданию дополнительной движущей/толкающей силы, возникающей в результате реакции продуктов горения - реактивной составляющей.

Приводим пример многомерного газодинамического расчета макета днища судна с активной каверной, соответствующего данному изобретению. Длина каверны составляет 1550 мм, высота - меняется от 47 до 0 мм относительно нормального уровня воды. Воздух или горючая смесь подаются в каверну через щель шириной 33 мм. Для предотвращения «выдавливания» воды в области подачи газа перпендикулярно направлению подачи воздуха установлена пластина шириной 48 мм. Глубина воды в расчете составляла 370 мм. Скорость движения каверны принималась равной 5 м/с. На выходе из каверны использовались граничные условия с нормальным давлением. Воздух или горючая смесь подавались в каверну с избыточным давлением 10, 20 и 40 кПа. В качестве горючей смеси использовалась стехиометрическая пропановоздушная смесь при нормальных условиях. В расчетах фиксировались значения расхода воздуха или горючей смеси, поступающие в каверну, а также силы, действующие на каверну в вертикальном и горизонтальном направлении.

В таблице 1 приведены итоговые результаты расчетов с разным избыточным давлением подачи воздуха/топливной смеси. Кроме значений расходов и сил, действующих на судно со стороны газа в каверне, в таблице 1 указаны значения удельного импульса этих сил, равного отношению силы к секундному расходу рабочего тела - воздуха или топливной смеси. Удельный импульс силы определяет энергоэффективность процесса. Видно, что удельный импульс горизонтальной силы при горячей продувке приблизительно в 2 раза превосходит соответствующее значение при холодной продувке, а удельный импульс вертикальной силы при горячей продувке превосходит соответствующее значение при холодной продувке в 4-14 раз в зависимости от избыточного давления подачи газов в каверну.

Результаты расчетов

Таким образом, предложены способ снижения гидродинамического сопротивления движению судна за счет профилирования днища и организации процесса сгорания в каверне, а также устройство для его реализации. Показано, что подача в каверну горючей смеси и ее последующее сжигание под днищем судна позволяют существенно повысить эффективность каверны по отношению к возникающим горизонтальным и вертикальным составляющим сил, действующих на судно со стороны газов.

1. Способ снижения гидродинамического сопротивления движению судна за счет профилирования днища и организации процесса сгорания в каверне, основанный на формировании и использовании направленного потока продуктов сгорания с целью уменьшения составляющей сопротивления трения, снижения остаточного сопротивления судна и создания дополнительной движущей силы, отличающийся тем, что процесс сгорания включает этапы воспламенения горючей смеси в полости каверны на участке между щелью в области входного сечения каверны и отбойной пластиной-стабилизатором горения, сгорания смеси в турбулентном режиме, стабилизации турбулентного пламени и формирования направленного потока продуктов горения, движущегося вдоль продольной оси днища по направлению к выходному сечению каверны, где формируется реактивная струя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что включает этап подготовки горючей смеси в каверне, включающий подачу воздуха в полость каверны через входную щель и впрыскивание топлива в направленный вдоль продольной оси днища поток воздуха через форсунки, расположенные в области отбойной пластины-стабилизатора горения.

3. Устройство для реализации способа снижения гидродинамического сопротивления движению судна за счет профилирования днища и организации процесса сгорания в каверне, включающее профилированное днище, образованное как минимум одним реданом, двумя скегами и транцем, систему питания, отличающееся тем, что напротив щели в области входного сечения каверны установлена отбойная пластина-стабилизатор горения, система зажигания обеспечивает зажигание горючей смеси слабым источником зажигания, профиль днища в районе транца и поверхность воды образуют расширяющееся сопло, обеспечивающее формирование реактивной струи продуктов горения.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что система питания содержит расположенные в области отбойной пластины-стабилизатора форсунки, обеспечивающие подачу топлива в полость каверны.

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано при постройке и модернизации бульбообразных носовых оконечностей корпусов судов. Бульбовая наделка корпуса судна содержит наружную обшивку и кольцевые шпангоуты, формирующие секции бульбовой надели, для крепления кольцевых шпангоутов к наружной обшивке и секций бульбовой наделки между собой используются соединительные элементы.

Устройство для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный аппарат // 2648231

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в увеличении передаваемой мощности от первичной к вторичной обмотке трансформатора и, соответственно, сокращение времени заряда аккумуляторных батарей подводного аппарата.

Рыбопромысловое судно ледового плавания // 2646042

Изобретение относится к области судостроения и касается вопроса эксплуатации рыбопромыслового судна в тяжелых ледовых условиях. Предложено рыбопромысловое судно ледового плавания, включающее корпус с ледовыми обводами и ледовым усилением, размещенные в отсеках балластные цистерны с балластной системой и двигательно-движительный комплекс, причем носовая оконечность корпуса имеет форму бульба, содержащего в своей верхней части ребро, образованное в диаметральной плоскости и имеющее уклон вперед к плоскости ватерлинии, при этом судно дополнено водоналивными цистернами, размещенными в кормовой части корпуса судна в отсеках, расположенных кормовее размещения его штатных балластных цистерн.

Способ создания упора между водой и судном повышенной маневренности // 2646005

Изобретение относится к области судостроения и касается скоростных судов. Предложен способ создания упора между водой и судном с использованием двух транспортеров, в которых нижняя часть ленты неподвижна относительно воды, при этом используются транспортеры с независимым изменением их положения относительно судна и кинематики движения.

Судно с двойным корпусом // 2646000

Изобретение относится к области судостроения и касается конструирования судов с повышенной скоростью перемещения в водной среде. Предложено судно с двойным корпусом, один из которых прочный 1, а второй наружный технологический 2, окружающий часть прочного корпуса, расположенную ниже уровня воды, свободным пространством 3 между корпусами, компрессором 4 для выполнения технологических операций и сплошным днищем 5.

Активируемый по глубине переключатель датчика и способ его отключения // 2645427

Настоящее изобретение относится к переключателю для морского сейсмического датчика. Переключатель включает в себя сильфон, имеющий закрытый конец, боковой участок и открытый конец, в котором боковой участок соединяет закрытый конец с открытым концом, закрытый конец включает в себя электропроводную поверхность и боковой участок действует как пружина; пробку основания, которая включает в себя первый входной и первый выходной контакты на первой стороне и второй входной и второй выходной контакты на противоположной стороне; и пробку, расположенную на открытом конце сильфона и выполненную с возможностью формирования камеры, внутри которой предусмотрены второй входной контакт и второй выходной контакт.

Амфибийное судно на сжатом пневмопотоке // 2644496

Изобретение относится к амфибийным транспортным средствам на динамической воздушной подушке. Амфибийное судно на сжатом пневмопотоке содержит корпус с движительной установкой, выполненной с рулевым устройством, регулирующим нагнетание воздуха в разделительные камеры.

Подводная лодка // 2643745

Изобретение относится к области подводного кораблестроения, в частности к двухкорпусным подводным лодкам. Предложена подводная лодка с герметичным прочным и легким корпусами.

Устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке // 2641345

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано при конструировании судов, использующих динамическую воздушную подушку. Предложено устройство для снижения гидродинамического сопротивления днища корпуса судна на сжатом пневмопотоке, содержащее корпус, нагнетатель воздуха высокого давления, рулевое устройство, бортовые скеги, при этом днище обтекаемого корпуса защищено слоем материала, выполненного со свободно выступающими одним концом отдельными упругими стержнями и/или волокнами, изготовленными из упругих полиэтиленовых материалов в виде щетки, скрепленных жестко с защитным покрытием материала.

Судно с отклоняющим поток гидродинамическим устройством носового подводного крыла // 2637064

Изобретение относится к области гидродинамики судна. Предложено судно с гидродинамическим каналом управления потоком на носу этого судна, причем канал содержит пару боковых стенок (2, 3) с частью крылового профиля на каждой стороне носа судна, соединенных с горизонтально ориентированным или наклонным участком (1) стенки с частью крылового профиля, причем канал выполнен с возможностью перемещения в вертикальном направлении между положением (а) и положением (b) и способствует уменьшению волнообразования и фрикционных сопротивлений за счет дифференцирования потока в нем от потока вне канала во взаимодействии с носом судна, имеющим горизонтально простирающиеся прямолинейные или выпуклые боковые стенки (102, 103).

Каботажное пассажирское судно // 2653906

Изобретение относится к области судостроения и судоходства в сложных и штормовых условиях океанского мореходства на каботажных линиях Сахалина и Курильских островов. Объектом изобретения является пассажирское судно среднего водоизмещения с автономностью для активного всепогодного мореплавания на линиях до 500 морских миль между портопунктами Сахалина и Курильских островов, включающих штормовые акватории северо-западной части Тихого океана, Охотского и Японского морей. Корпус и общекорабельная архитектура построены по результатам опытовых и вычислительных экспериментов для достижения ходкости произвольным курсом относительно штормового ветра и волн при минимальной качке. Конструктивная осадка составляет 5 м, отчего может усилиться бортовая качка в положении лагом к волне, однако парусность надстроек обеспечивает приведение судна навстречу штормовому ветру в случае аварийной остановки главных машин, чем достигается безусловная безопасность судна, экипажа и пассажиров на каботажных судоходных маршрутах. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик судна с достижением всесезонного и всепогодного мореходства на каботажных линиях Сахалина и Курильских островов, на других морских маршрутах дальневосточных морей России. 3 ил.

Спасательный плот морского нефтегазового сооружения преимущественно для ледовых условий // 2653909

Изобретение относится к области судостроения, связанной с вопросами эвакуации персонала с морских нефтегазовых сооружений, работающих на акватории замерзающих морей континентального шельфа. Спасательный плот морского нефтегазового сооружения преимущественно для ледовых условий включает герметично и жестко выполненные из огнестойкого материала корпус и соединенный с ним купол, поддерживаемый установленной в средней части основания корпуса стойкой, бортовые герметично закрывающиеся двери, сиденья и наружные трапы, Купол размещен внутри корпуса подвижно и выполнен с возможностью его выдвижения из корпуса до высоты не менее человеческого роста. Стойка выполнена в виде телескопической штанги. Купол и телескопическая штанга оснащены фиксаторами, а на крыше купола установлен рым. Достигается повышение эффективности использования полезной площади палубы морского нефтегазового сооружения. 2 ил.

Надводно-подводный аппарат с изменяемой геометрией формы корпуса // 2653983

Изобретение относится к области судостроения и касается конструирования надводно-подводного аппарата с изменяемой геометрией формы корпуса. Надводно-подводный аппарат с изменяемой геометрией формы корпуса содержит центральный подводный торпедообразный корпус, два боковых подводных торпедообразных корпуса, центральный вертикальный хорошо обтекаемый корпус крыльевого типа, два боковых корпуса крыльевого типа и верхний хорошо обтекаемый корпус также крыльевого типа. Центральный вертикальный корпус крыльевого типа имеет жесткое соединение с центральным подводным торпедообразным корпусом и с верхним корпусом крыльевого типа. Каждый боковой корпус крыльевого типа жестко соединен с соответствующим боковым подводным торпедообразным корпусом и имеет подвижное соединение с верхним корпусом крыльевого типа. Технический результат заключается в улучшении гидродинамических и эксплуатационных характеристик надводно-подводного аппарата, повышении его надежности. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Робототехнический разведывательный комплекс амфибийный // 2654898

Изобретение относится к робототехнике. Робототехнический разведывательный комплекс амфибийный дополнительно содержит кормовой поплавок, выполненный из отдельных непотопляемых герметичных отсеков, соединенных с боковыми элементами корпуса, изготовленными из стеклопластика и пенопласта, раздвижными телескопическими штангами с фиксирующими штоками, с закрепленной сверху платформой. С левой и правой стороны предусмотрены по три ведущих гребных колеса с опорными шипованными полками. В торцевой части установлены снизу по два реверсных гребных винта, сверху - манипулятор с видеокамерой, а в носовой части устроена сферообразная полость для размещения подвижного подводного разведывательного модуля с магнитометрическим датчиком, гидролокаторами переднего и боковых обзоров, видеокамерой с подсветкой и двух пар клещевых захватов. Техническое средство управляется с применением типового унифицированного комплекса электронного бортового оборудования. Достигается повышение эффективности разведки. 6 ил.