судовой гусеничный лопастной движитель

Формула изобретения

Судовой гусеничный лопастной движитель, содержащий вертикально расположенные лопасти, закрепленные на параллельных цепях, взаимодействующих с двумя горизонтально расположенными зубчатыми колесами, размещенными между носовой и кормовой частями ленты, содержащими органы фиксирования ориентации лопастей и узел крепления движителя к судну, отличающийся тем, что орган фиксирования ориентации лопастей установлен на кормовой части ленты, а узел крепления движителя к судну выполнен в форме шарнира с возможностью изменения углового положения движителя относительно продольной оси судна в горизонтальной плоскости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к судостроению, в частности к движительным комплексам судов.

Известен подводный движитель, состоящий из лопастей, приводимых в движение движущейся цепью, огибающей два цепные зубчатые колеса. Лопасти перпендикулярны к плоскости этих колес и свободно вращаются вокруг их осей, насажанных на ведущую цепь, и имеют на их осях одну кулачковую поверхность, идущую вдоль канавки на одной стороне движителя (заявка на патент Великобритании N 2.031.828 B63H 1/34).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату в заявленному изобретению является водяной гусеничный движитель (реактивный тяговый генератор) по заявке на патент Франции N 2.534.636, B63H 1/34, фиг. 2, содержащий вертикально размещенные лопасти 1, приводимые в движение двумя параллельными цепями 2, каждая из которых натянута на двух горизонтальных зубчатых колесах 3, разделяющих ленту на кормовую 4 и носовую 5 части, орган для фиксирования ориентации лопастей 6 и узел крепления движителя к судну 7.

Недостаток движителя орган для фиксирования ориентации лопастей (установочный узел) 6 установлен как на кормовой 4, так и носовой 5 частях ленты движителя, а также бесшарнирный (жесткий) узел крепления движителя к судну 7.

Технический результат достигается тем, что в известном судовом гусеничном лопастном движителе орган для фиксирования лопастей установлен на кормовой части ленты лопастей, а узел крепления движителя к судну 7 выполнен в форме шарнира с возможностью изменения углового положения движителя относительно продольной оси судна в горизонтальной плоскости.

Эти отличительные от прототипа признаки обеспечивают получение положительного эффекта по сравнению с аналогом.

В указанном движителе (ближайший аналог) лопасти, установленные под острым углом атаки и безотрывно обтекаемые водой, двигают сначала слева-направо (по ходу судна), потом, после разворота, под тем же углом атаки справа-налево, перпендикулярно продольной оси судна. Это устройство представляет собой развернутые в вертикальной плоскости два соосных гребных винта, вращающихся в разные стороны и использующих только реакцию струи, отброшенной лопастями против движения судна подъемную силу. Лобовое же сопротивление не используется, оно нагружает движитель парой сил MX₁X₂, пытаясь развернуть его вокруг центра тяжести (по часовой стрелке).

Предлагаемый движитель эффективней движителя-прототипа. Как видно из фиг. 2, в ближайшем аналоге используется только реакция отброшенной лопастями струи подъемная сила. Лобовое же сопротивление X лопастей создает пару сил MX₁X₂, стремящуюся развернуть движитель (по часовой стрелке) или разрушить его, что и является потерей энергии при этом способе.

Необходимо сделать так, чтобы работающая лопасть целиком отдавала движению свою полную энергию взаимодействия с водой полную гидродинамическую силу, включая лобовое сопротивление. Для этого необходимо устранить действие пары сил на известный движитель, оставив на одной стороне силу лобового сопротивления, направленную в сторону движителя. Этого можно достичь лишь флюгированием лопастей на другой стороне движителя. Лобовое сопротивление лопастей на рабочей стороне движителя, будучи геометрической составляющей полной гидродинамической силы, сдвинет направление тяги в сторону действия полной гидродинамической силы R (фиг.4). Для получения же тяги, направленной по продольной оси судна, необходимо повернуть получившийся движитель по часовой стрелке на угол между подъемной и полной гидродинамической силами, при этом лопасть приобрела, наряду с движением слева-направо, и одновременно сократить движения назад, т.е. отталкивание от воды по отношению к движущемуся судну, при этом в качестве упора (тяги) используется не только лобовое сопротивление X и не только подъемная сила Y лопастей, а их геометрическая сумма полная гидродинамическая сила R (фиг.3). Как видно из рисунка, лопасти фактически отталкиваются от полной гидродинамической силы R. А любое отталкивание обязательно предполагает и наличие холостого хода для совершения нового отталкивания.

Сравним эффективность известного и предложенного движителей (фиг. 2 и 3). Обозначим отношение полной гидродинамической силы лопасти к ее подъемной силе:



При количестве лопастей n движитель Франции развивает тягу

T₁=Y_n

а предложенный:



Однако предложенный движитель потребляет половинную мощность по сравнению с прототипом, т.к. в нем тормозится лишь одна сторона лопастей, т.е. половина лопастей. Приведем движители к одной мощности, т.е. увеличим потребление мощности вдвое в предложенном движителе. Это можно сделать, увеличив вдвое число работающих лопастей предложенного устройства, т.е. привести их число к числу работающих (заторможенных) лопастей движителя Франции.

Полученная тяга:



Соотнесем полученные тяги:



Т. о. тяга предложенного движителя при одинаковой потребляемой мощности больше тяги движителя Франции в раз. Отношение же полной гидродинамической силы к подъмной силе лопасти на больших углах атаки может достигать двух.

Кроме увеличения тяги движителя обеспечивается также использование его в качестве рулевого управления. Шарнирное соединение движителя к корме судна позволяет поворачивать его так, чтобы полная гидродинамическая сила давала то правую, то левую боковую составляющую.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана гидродинамическая схема движителя-аналога; на фиг. 2

гидродинамическая схема движителя прототипа; на фиг. 3 гидродинамическая схема предлагаемого движителя; На фиг. 4 гидродинамическая схема движителя - прототипа при устранении пары сил и флюгировании лопастей при движении их справо-налево.

Изобретение осуществлено гусеничным лопастным движителем.

Движитель (фиг.3) состоит из двух пар зубчатых колес 1, расположенных в параллельных плоскостях и обтянутых цепями 2, к которым прикреплены лопасти 3, продольные оси которых снабжены кулачками, имеющими возможность проходить в зазоре желоба 4, установленного на кормовой стороне движителя. Кроме того, движитель снабжен вертикальным шарниром 5 с возможностью углового поворота движителя в горизонтальной плоскости, состоящим из стержня, жестко прикрепленного к корме судна посредством кронштейна 6 и втулки, жестко прикрепленной к движителю и свободно надетой на стержень. На верхней оконечности втулки жестко закреплен поворотный шкив, взаимодействующий с натяжителями, идущими от рулевой колонки (на черт. не показаны). Движитель содержит также привод в виде угловой зубчатой передачи, соединенной с ведущими зубчатыми колесами и с педальным механизмом (на фото не показан). Ведущий вал привода телескопически раздвижной.

Гусеничный движитель работает следующим образом.

Ноги через педали, угловую коническую передачу, карданный вал приводят в движение зубчатые колеса 1 и цепи 2. В правого положения лопасть, двигаясь налево, попадает кулачком в зазор желоба 4, устанавливаясь под острым углом к линии движения, создавая при этом тягу судна. Пройдя желоб, кулачок выходит из зазора желоба, давая возможность лопасти свободно вращаться вокруг продольной оси и флюгироваться (двигаться по нулевым углам атаки) при ее движении в левое исходное положение. Необходимый поворот движителя относительно продольной оси судна в горизонтальной плоскости достигается посредством шарнира 5, прикрепляющего движитель к корме судна посредством кронштейнов 6. Усилия рук от рулевой колонки передаются через трос и поворотный шкив на движитель, который, не прерывая работы, поворачивается на стержне 5 узла крепления движителя к судну на необходимый угол.

Выравнивание траектории судна решается посредством поворота движителя по часовой стрелке на угол b. В результате этого поворота полная гидродинамическая сила направлена вдоль оси судна, и оно двигается прямо, но намного дальше, чем прототип. При этом физическая сущность использования лобового сопротивления заключается в появлении отталкивания лопастей относительно судна, т.е. движения лопастей назад одновременно с движением лопасти поперек продольной оси слева-направо. Эта одновременность движения лопастей в двух координатах обеспечивает использование ими полной гидродинамической силы на докритическом углу атаки, т.е. в наиболее выгодном режиме плавного обтекания лопастей, что в свою очередь обуславливает минимальные потери энергии в воде и наибольшую тягу судна. Таким образом, на каждую из лопастей движителя действует полная гидродинамическая сила, направленная параллельно продольной оси судна, при этом лобовое сопротивление X, как и подъемная сила Y, является составляющими тяги (упора) судна. При дальнейшем повороте движителя по часовой стрелке, судно идет по дуге влево. Эти повороты судна направо и налево при соответствующих поворотах движителя свидетельствует о том, что они являются результатом действия полных гидродинамических сил лопастей.

Предложенный способ передвижения в воде альтернатива гребному винту в диапазоне малых скоростей хода судов, преимущественно на большегрузных тихоходных судах танкерах, баржах, паромах.