Устройство для повышения скорости судна

 

Изобретение относится к судостроению, а именно к устройствам для повышения скорости хода судов (или экономии топлива) за счет использования энергии воды, поступающей в каналы судна через носовые отверстия. Сущность изобретения: в устройстве, содержащем по крайней мере один канал с носовым входным отверстием и бортовым или кормовым выходным отверстием, а также движителями в канале, последний выполнен с несколькими поворотами, за которыми кормовая стенка выполнена в форме крыла преимущественно сегментного типа, а противолежащая стенка - с искусственной шероховатостью, при этом некоторые движители размещены за поворотом перед крыльевой поверхностью. Использование изобретения позволяет получить дополнительную силу тяги судна как при наличии движителей в каналах, так и без них. 4 ил.

Изобретение относится к судостроению, а именно к устройствам для повышения скорости хода судов (или экономии топлива) за счет использования энергии воды, поступающей в каналы судна через носовые отверстия.

Известны устройства для повышения скорости хода судна с применением каналов (заявка Японии 60-33715, В 63 Н 11/02, 1985г., заявка Великобритании 2143486, В 63 Н 11/10, 1985г. и др.).

Устройства содержат один или два канала в корпусе судна, идущие от носовых входных отверстий к бортовым или кормовым выходным отверстиям, а также движители в канале. Положительный эффект устройств состоит в снижении сопротивления движению судна в носовой оконечности и повышении скорости судна за счет использования энергии воды, поступившей в канал, размещенными в нем движителями.

Однако степень использования этой энергии недостаточная. При отсутствии движителей в канале степень использования кинетической энергии воды в канале еще ниже.

В качестве прототипа принято устройство по заявке ЕПВ 0300977, В 63 В 1/34, 1989г., содержащее по крайней мере один канал с носовым входным отверстием и бортовым или кормовым выходным отверстием, а также движители в канале.

Предложенное изобретение предназначено для решения задачи более полного использования энергии движущейся в канале воды (повышения скорости хода судна или экономии топлива).

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем по крайней мере один канал с носовым входным отверстием и бортовым или кормовым выходным отверстием, а также движители в канале, канал выполнен с несколькими поворотами, за которыми кормовая стенка по направлению движения воды выполнена в форме крыла, например сегментного типа, а противолежащая стенка - с искусственной шероховатостью, причем некоторые движители размещены за поворотом перед крыльевой поверхностью.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен вариант устройства с бортовыми выходными отверстиями; на фиг.2 - устройство в виде одного канала в горизонтальной плоскости судна; на фиг.3 - в виде двух каналов в горизонтальной плоскости судна, ; на фиг.4 - в виде одного канала в вертикальной плоскости судна.

Устройство содержит канал 1, носовое входное отверстие 2, бортовое выходное отверстие 3, кормовое выходное отверстие 4, участок канала 5. на котором размещены крыльевая поверхность 6 на кормовой стенке канала 1, искусственная шероховатость 7 на носовой стенке, движители 8 в канале.

Устройство работает следующим образом.

Во время хода судна проток воды под напором через носовое входное отверстие 2 поступает в канал 1, где набегает на крыльевую поверхность 6. При обтекании крыла скорость потока на его поверхности увеличивается (давление падает) по сравнению со скоростью обтекания противолежащей стенки. В результате разности давлений на обе эти стенки появится результирующая сила Р, приложенная к носовой стенке и направленная в нос судна по перпендикуляру к обшивке канала на данном участке 5 канала. При этом отстояние спинки крыла от носовой стенки должно обеспечить отсутствие влияния разрежения на крыле на давление на этой стенке. Выполнение носовой стенки c искусственной шерховатостью приведет к снижению скорости (повышению давления) ее обтекания по сравнению с гладкой поверхностью, что еще более увеличит разность давлении воды на крыло и носовую шероховатую поверхность в пределах участка 5.

Оценим эффект изобретения. Равнодействующая сила разности действующих сил от потока на крыло и шероховатую поверхность примерно равна: где V - скорость потока воды на данном участке канала, S=b•l - площадь крыла в плане (площадь шероховатой поверхности), здесь b и l - хорда и длина крыла.

Размещение перед крылом движителя для ускорения потока, набегающего на крыло (или на крыло и шероховатую стенку), позволит увеличить скорость его (их) обтекания, тем самым разрежение на крыльевой и давление на шероховатой поверхностях, что равносильно увеличению силы Р.

Проекция силы Р на направление движения судна дает силу дополнительной тяги P_т = P•Cosα. Поперечная составляющая силы Р равна силе дрейфа P_д = P•Sinα. Для устранения силы дрейфа необходимо иметь второй участок на канале (или четное их число) (см. фиг.2 и 4) или симметрично расположенные участки при двух каналах (фиг.1 и 3). Здесь α - угол между осью участка 5 канала.

Кроме указанных сил появится дополнительная сила сопротивления движению потока в канале Р_х. По отношению к величине полезной силы Р_т сила сопротивления Р_х может достигать не более 15-20%, так как гидродинамическое качество крыла до 15, а шероховатой поверхности около 10.

Для оценочных расчетов рассмотрим судно водоизмещением 3000 т. При скорости хода V= 10 м/с его тяга составляет около 340 кН. Очевидно, мощность устройства должна быть не более мощности потока воды, движущейся в канале. Если соответственно мощности устройства и потока, то из условия _пот ≥ N получим следующее соотношение a/b≥С_ук+С_уш.

Здесь F= а•C, а - расстояние между кормовой и носовой стенками, с - высота канала.

Пусть поперечное сечение канала прямоугольное: с=2 м. Габариты крыла: l= C=2 м, b=3 м, толщина профиля 0,18 м.

Примем C_ук=0,20 и C_уш=0,10. Зададимся а=2 м. При указанных данных сила Наибольшая дополнительная сила равна 180 кН при α=0. При α=20^o получим Р_т=180•cos 20^o=162 и сила дрейфа Р_д=180•Sin20^o=61,6 кН. Очевидно, существует оптимальный угол α_опт, зависящий от соотношений между параметрами канала, крыльевой поверхности и сопротивлением движению воды в канале. С учетом дополнительного сопротивления трения крыльев, шероховатости, поворотов канала, стесненности потока следует ожидать, что дополнительная сила тяги устройства будет порядка 3/4 от расчетной. Т.е. P_т≅3/4•180=135 кН, что составляет около 39% от потребной силы тяги судна.

Применение устройства позволит более рационально использовать энергию потока, поступающего в каналы судна, как при наличии движителей, так и без них.

Формула изобретения

Устройство для повышения скорости судна, содержащее по край ней мере один канал с носовым входным отверстием и бортовым или кормовым выходным отверстием и установленные в канале движители, отличающееся тем, что канал выполнен с несколькими поворотами, за которыми кормовая относительно направления движения воды стенка выполнена в форме крыла преимущественно сегментного типа, а противолежащая стенка выполнена с искусственной шероховатостью, при этом часть движителей размещена за поворотом перед крыльевой поверхностью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4