Способ повышения пропульсивных качеств судов при создании тяги

 

Изобретение относится к судостроению, а именно к судам полных обводов, высокоскоростным водоизмещающим судам и подводным объектам. Способ заключается 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 реверсивных 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. Данный способ позволяет снизить энергозатраты при создании тяги. 5 ил.

Изобретение относится к судостроению, конкретнее к судам полных обводов, высокоскоростным водоизмещающим судам и подводным объектам, позволяющим снизить энергозатраты при создании тяги путем повышения пропульсивных качеств судов.

Известен способ создания тяги на судне (см. патент ЕПВ №414627, МКИ В 63 Н 11/08, 1991 г.), заключающийся в том, что в носовой и кормовой оконечностях судна из цилиндрических ниш с входными и выходными плоскими щелевыми каналами посредством установленных в них реверсивных роторных движителей производят соответственно тангенциальный отсос и подачу воды на поверхность судна. Этот способ принят за прототип.

Как следует из описания к данному техническому решению, в нем решается задача создания тяги любого направления путем активного управления пограничным слоем на поверхности практически прямоугольного корпуса судна. Причем в данном случае реверсивные роторные движители выполняют функцию основных движителей.

Цель предлагаемого изобретения - снизить энергозатраты при создании тяги путем повышения пропульсивных качеств судна.

Цель достигается способом повышения пропульсивных качеств судов при создании тяги, заключающимся 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 реверсивных 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.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено сечение корпуса судна по ватерлинии ниже уровня воды; на фиг.2 - эпюра распределения давлений в потоке, обтекающем корпус; на фиг.3 - эпюра распределения скоростей в потоке, обтекающем корпус; на фиг.4 - поперечное сечение корпуса судна в месте расположения носовых или кормовых вспомогательных роторных водометных движителей; на фиг.5 - сечение А-А фиг.4.

Судно содержит корпус 1 и основной движитель 2, установленный в корме корпуса 1. Основной движитель 2 может быть любого типа, а именно гребной винт, водометный движитель и т.п. В носовой и кормовой оконечностях судна на корпусе 1 установлены вспомогательные реверсивные роторные движители 3, которые могут устанавливаться как по бортам, так и в днище корпуса 1, как показано на фиг.4. Каждый вспомогательный реверсивный роторный движитель 3 имеет роторы 4 с возможностью вращения с реверсом в цилиндрических нишах 5 и входные и выходные плоские щелевые каналы 6, через которые сообщается с окружающей средой. Роторы 4 вращают посредством приводов 7 для создания потока во входных и выходных плоских щелевых каналах 6. Профили поперечного сечения роторов 6 могут быть любых форм, которые при их вращении обеспечивают неперетекание жидкости из выходного плоского щелевого канала 6 во входной через цилиндрические ниши 5. Стрелками 8 показаны направления отсоса и подачи жидкой среды через входные и выходные плоские щелевые каналы 6, когда вращают роторы 4 в направлении стрелок , как показано на фиг.5. Стрелками Р на фиг.2 показаны приращение или уменьшение изменения давления вдоль корпуса 1 и основного движителя 2 к давлению невозмущенной окружающей среды Р₀. Стрелками V на фиг.3 показаны приращение или уменьшение изменения скоростей вдоль корпуса 1 и основного движителя 2 к скорости судна V₀. На фиг.2 показано пунктирной линией 9 распределение давлений вдоль корпуса 1 и основного движителя 2 без работы вспомогательных движителей 3, а сплошной линией 10 - с работой вспомогательных движителей 3. На фиг.3 показано пунктирной линией 11 распределение скоростей в потоке вдоль корпуса 1 и основного движителя 2 без работы вспомогательных движителей 3, а сплошной линией 12 - с работой вспомогательных движителей 3.

При перемещении корпуса 1 со стороны окружающей воды 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 судов, имеющих полные обводы корпуса 1, или высокоскоростных водоизмещающих судов; из сопротивления от волнообразования, которое происходит наиболее интенсивно возле оконечностей корпуса 1 из-за резкого перепада давления; из волнового сопротивления от разрушения носовой волны вблизи тупой носовой оконечности судна полных обводов, когда наряду с формированием подповерхностного подковообразного отрывного вихря перед носовой оконечностью возникает поднятие уровня воды в виде плато. При этом в условиях эксплуатации судна основной движитель 2 работает вблизи кормовой оконечности корпуса 1, которая искажает поток, натекающий на основной движитель 2. Поэтому местные скорости в пределах основного движителя 2 отличаются по величине и по направлению, т.е. поле скоростей неоднородно. На фиг.2 представлено пунктирной линией 9 распределение давлений, а на фиг.3 - пунктирной линией 11 распределение скоростей вдоль корпуса 1 и основного движителя 2 без работы вспомогательных реверсивных роторных движителей 3, резкий перепад которых показывает существенное влияние сопротивления воды движению корпуса 1 и менее эффективное гидродинамическое взаимодействие основного движителя 2 с корпусом 1. В настоящее время наблюдается тенденция все большего увеличения водоизмещения и скорости судов для перевозки массовых грузов. Рост водоизмещения сопровождается увеличением абсолютных размеров судна и полноты обводов, а также с увеличением скорости судна резко возрастает сопротивление воды движению судна, связанное с указанными выше факторами, что приводит к возрастанию нагрузки на основной движитель 2. Возрастание нагрузки на основной движитель 2 связано с ограничением диаметра основного движителя 2 и увеличением передаваемой основному движителю 2 мощности, что, в свою очередь, приводит к невозможности использовать основной движитель 2 с максимально возможным КПД на любых скоростях хода судна. При этом взаимодействие основного движителя 2 с корпусом 1 судна ухудшает пропульсивные качества, что связано с существованием отрыва пограничного слоя на корпусе 1 в районе кормы и влиянием отрыва на работу основного движителя 2. 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 основной движитель 2. Одновременно на носовых и кормовых вспомогательных реверсивных роторных движителях 3 посредством приводов 7 вращают роторы 4 в цилиндрических нишах 5 в направлении стрелок . Создается поток в плоских щелевых каналах 6 и производятся отсос на входе и подача на выходе жидкости в направлении стрелок 8.

В носовой части корпуса 1 на носовых вспомогательных реверсивных роторных движителях 3 создается реактивная тяга, а также жидкие струи прилипают к криволинейной поверхности корпуса 1 и с внесением дополнительной энергии ускоряют поток в пограничном слое за счет эффекта Коанда. Струя действует не только на профиль скорости пограничного слоя, но и подсасывает жидкость из внешнего потока, ускоряя его, как показано, сплошной линией 12 на эпюре распределения скоростей на фиг.3. Таким образом, прилипающий к поверхности корпуса 1 ускоренный струйный поток от носовых вспомогательных движителей 3 снижает сопротивление трения окружающей воды о поверхность корпуса 1. При этом происходит ламинаризация потока, обтекающего корпус 1, что также снижает сопротивление трения. В результате уменьшаются как сопротивление трения, так и вызываемый этим сопротивлением попутный поток. При этом на носовой криволинейной поверхности корпуса 1 создается разрежение, как показано сплошной линией 10 на эпюре распределения давлений на фиг.2. Поэтому не только ликвидируется лобовое сопротивление как часть сопротивления формы, но на носовой поверхности корпуса 1 в результате разрежения реализуется тяга. Уменьшение или ликвидация пика повышенного давления в носовой оконечности корпуса 1 судна позволят уменьшить сопротивление от волнообразования в носовой оконечности корпуса 1. Отсос и подача (стрелки 8) вблизи тупой носовой оконечности корпуса 1 полных обводов позволят предотвратить формирование подповерхностного подковообразного отрывного вихря и убрать перед носовой оконечностью поднятие уровня воды в виде плато, что позволит убрать волновое сопротивление от разрушения носовой волны.

Кормовые вспомогательные реверсивные роторные движители 3 функционируют аналогично носовым. Отсос и подача (стрелки 8) на поверхности корпуса 1 изменяют силовые и моментные характеристики поля давления, которое действует на корпус 1 в области кормовой оконечности судна, как показано сплошной линией 10 на эпюре распределения давлений на фиг.2. Потери энергии исходного пограничного слоя восполняются энергией при отсосе и подаче. Таким образом, отсасываемая и подаваемая струи (стрелки 8) по касательной к кормовой оконечности корпуса 1, так же как и в носовой оконечности, снижают сопротивление трения окружающей воды о поверхность корпуса 1 и ламинаризируют пограничный слой.

Следует отметить, что при обтекании кормовой оконечности корпуса 1 обычного судна полных обводов возможен отрыв пограничного слоя. С помощью отсоса и подачи (стрелки 8) в кормовой оконечности корпуса 1 уменьшится сопротивление формы, связанное с отрывом пограничного слоя.

Кроме того, в кормовой оконечности корпуса 1, также как и в носовой, уменьшается пик повышенного давления, тем самым уменьшается волновое сопротивление от кормовой группы расходящихся и поперечных волн.

Также при отсосе и подаче (стрелки 8) кормовыми вспомогательными движителями 3 в кормовой оконечности корпуса 1 формируется более равномерный и менее турбулентный поток, набегающий на основной движитель 2, что повышает пропульсивные качества судна.

Поэтому посредством носовых и кормовых вспомогательных реверсивных роторных движителей 3 с помощью отсоса и подачи (стрелки 8) уменьшается сопротивление воды движению корпуса 1, что позволит подобрать более оптимальный основной движитель 2 с максимальным КПД при любой скорости хода судна, и осуществляется эффективное гидродинамическое взаимодействие основного движителя 2 с корпусом 1 судна, что повысит пропульсивные качества судна в целом.

В результате предложенный способ повышения пропульсивных качеств судов при создании тяги за счет снижения сопротивления воды движению корпуса и осуществления эффективного гидродинамического взаимодействия основного движителя с корпусом судна позволит создать тягу более оптимальным основным движителем с максимальным КПД, что снизит энергозатраты при эксплуатации судна.

Формула изобретения

Способ повышения пропульсивнных качеств судов при создании тяги, 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 реверсивных 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5