усовершенствованное парусное вооружение

Формула изобретения

1. Способ создания тяги с помощью парусного вооружения, заключающийся в создании вертикального потока воздуха при помощи нагнетателя воздуха и использовании взаимодействия указанного вертикального потока с горизонтально обтекающим парусное вооружение потоком воздуха вымпельного ветра, отличающийся тем, что создание тяги в парусном вооружении обеспечивается, по меньшей мере, одним преимущественно вертикально направленным потоком расширяющегося нагретого воздуха, создающегося, по меньшей мере, с помощью одного нагревательного устройства, по меньшей мере, одним потоком холодного воздуха, вовлекаемым в движение потоком расширяющегося нагретого воздуха, и, по меньшей мере, одним горизонтально обтекающим парусное вооружение набегающим потоком воздуха вымпельного ветра, возникающим вследствие перемещения судна под воздействием указанных потоков воздуха, совместно воздействующих, по меньшей мере, на один парус упомянутого парусного вооружения, установленного таким образом, что проекция указанного паруса на горизонтальную плоскость, в направлении, по крайней мере, совпадающем с направлением движения, по меньшей мере, одного из указанных потоков воздуха, не равна нулю.

2. Способ создания тяги по п.1, отличающийся тем, что возможна регулировка объема, скорости и интенсивности нагрева потока воздуха, проходящего через нагревательное устройство.

3. Способ создания тяги по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что регулировка объема, скорости и интенсивности нагрева воздуха может производиться для каждого паруса упомянутого парусного вооружения по отдельности.

4. Парусное вооружение, содержащее, по меньшей мере, один парус, рангоут и такелаж для указанного паруса, нагнетатель воздуха, установленные на судне, отличающееся тем, что парусное вооружение содержит в качестве нагнетателя воздуха, по меньшей мере, одно нагревательное устройство, создающее таким образом, по меньшей мере, один преимущественно вертикально направленный поток расширяющегося нагретого воздуха, по меньшей мере, один поток холодного воздуха, вовлекаемый в движение потоком расширяющегося нагретого воздуха, и, по меньшей мере, один горизонтально обтекающий парусное вооружение поток воздуха вымпельного ветра, возникающий вследствие перемещения судна под воздействием указанных потоков воздуха, совместно воздействующих, по меньшей мере, на один парус упомянутого парусного вооружения, установленный таким образом, что проекция указанного паруса на горизонтальную плоскость в направлении, по крайней мере, совпадающем с направлением движения, по меньшей мере, одного из указанных потоков воздуха, не равна нулю.

5. Парусное вооружение судна по п.3, отличающееся тем, что конструкция нагревательного устройства позволяет производить регулировку объема, скорости и интенсивности нагрева воздуха, проходящего через данное нагревательное устройство.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к судостроению, в частности к парусному вооружению судов, и направлено на создание усовершенствованного парусного вооружения, пригодного для установки на различных типах судов, как в качестве основного, так и в качестве дополнительного движителя. Это парусное вооружение может быть использовано в любой ветровой обстановке, как при наличии сильного ветра, так и при ветре минимальной силы, недостаточном для приведения в движение парусного судна с традиционным парусным вооружением и даже при отсутствии ветра.

Предлагаемое изобретение направлено на решение актуальных проблем современности - предотвращения загрязнения окружающей среды и истощения топливных ресурсов путем использования альтернативных источников энергии на транспорте. В настоящее время потребление нефти непрерывно растет, значительную часть всей добываемой нефти сжигают суда, и эта тенденция постоянно усиливается. Поэтому поиск альтернативных источников энергии для применения их на транспорте является насущной и неотложной проблемой. В числе основных альтернативных источников энергии, являющихся неиссякаемым и даровым, считается энергия ветра. Парус как движитель обладает абсолютной экологической чистотой. Он только преобразует потоки ветра и не вредит окружающей среде и человеку. Наиболее целесообразно использование энергии ветра именно для движения судов, т.к. именно морской флот, единственный из всех видов транспорта, может обходиться почти без расхода топлива, используя для движения силу ветра, благодаря пролеганию маршрутов движения судов в районах с благоприятной ветровой обстановкой. Это однозначно указывает на целесообразность применения парусного движителя в основном на морских транспортных судах [Крючков Ю.С., Перестюк И.Е. Крылья океана. - Л.: Судостроение, 1983. - 256 с., с.10-16].

Использование парусов для приведения в движение судов известно с глубокой древности и применялось на большинстве военных кораблей и гражданских судов. По мере развития и улучшения конструкции ПВ, оно достигло высокого уровня совершенства, обеспечивая в роли движителя судну хорошие ходовые качества.

Известно, например, парусное судно, снабженное парусным вооружением, включающим в себя паруса, рангоут и такелаж (мачты с парусами, установленные на палубе, и тросовую систему крепления и управления парусами), использовавшееся для транспортировки различных грузов и людей [см. И.А.Лучанский, А.А.Яновский. От весла до водомета. - Л.: Судостроение, 1964, 209 с., с.34-45]. Для движения судна использовалась исключительно только сила ветра. При этом судно достигало достаточно большой скорости движения при неограниченной дальности хода.

Однако суда с обычным парусным вооружением обладают существенными недостатками, самым главным из которых и, к сожалению, принципиальным недостатком является то, что с помощью обычного ПВ невозможно обеспечить целенаправленное поступательное движение транспортного средства - судна, которое было им оснащено, при наличии слишком слабого ветра или при отсутствии ветра вообще. Все присущие ПВ недостатки, с появлением и совершенствованием механического двигателя, устанавливаемого на грузовые суда (сначала паровая машина, потом паровая турбина, а затем дизели и ГТД), стали настолько велики, что от использования парусов для движения судов для обеспечения движения стали отказываться, ввиду явного преимущества механических движителей перед парусным движителем. Механический двигатель обеспечивал необходимое для эксплуатации регулярного торгового флота, грузового и пассажирского, постоянство и независимость создаваемой ими тяги для движения, без влияния на них погодных условий и наличия или отсутствия ветра. Однако и у механических двигателей есть также свой принципиальный недостаток - им нужно топливо для работы, запас которого всегда должен быть на борту корабля, также необходим запас сменных деталей для замены или ремонта двигателя. Поэтому, если автономность (по движению) парусных судов ничем не ограничивается, то для судов с механическими движителями автономность (по движению) однозначно определяется удельным расходом топлива двигателем и максимальной вместимостью топливных цистерн. Это накладывает определенные ограничения, требуя размещения на судах помимо запасов провизии для экипажа и пассажиров, и помещения для груза, еще и запасов топлива для двигательно-движительного комплекса.

Известны неоднократные попытки комбинации этих двух видов движителей с целью взаимного уменьшения их недостатков и использования их достоинств. Судно с парусом и механическим двигателем способно идти в любом направлении, вне зависимости от направления ветра, в то время как парусное судно против ветра двигаться не может, оно способно преодолевать зоны затишья и сохранять управляемость в жестокий шторм, когда все паруса убраны. Таким образом, на судне устанавливается и парусный и механический движитель, причем они могут работать как вместе, так и попеременно. При этом в качестве вспомогательного, используемого при отсутствии ветра, движителя, на судне применяется двигательно-движительный комплекс, состоящий из ДВС с механической передачей, валопроводом и гребным винтом. Передвигается данное парусно-моторное судно в основном следующим образом. С помощью вспомогательной механической установки судно выходит из порта на открытую акваторию, где имеется подходящая ветровая обстановка. После этого на парусном судне поднимают паруса, и оно продолжает движение, либо при помощи парусов и мотора, либо при помощи только парусов, экономя, таким образом, топливо и снижая загрязнение окружающей среды (см., например, Крючков Ю.С., Перестюк И.Е. Крылья океана. - Л.: Судостроение, 1983. - 256 с., с.66). Однако повышенная масса, стоимость всего двигательного-движительного комплекса (механический двигатель + парусное вооружение), сложность увязки противоречивых требований к обоим видам судовых движителей обусловили малое распространение комбинированных судов в транспортном флоте, как экономически невыгодных при эксплуатации. Вызвано это было тем, что масса, приходившаяся на ПВ судна, отнимала у судна большой процент от полезной грузоподъемности судна, делая его эксплуатацию нерентабельной, по сравнению с судами с чисто механическими двигателями ввиду потерь на лишнюю перевозимую массу [см. Нарусбаев, "Судостроение - XXI век", Л., 1987 г, с.35-37].

Учитывая данные обстоятельства, в последнее время разрабатывались различные проекты современных парусных судов с ветродвигателями или ветродвижителями, обеспечивающих высокие технические характеристики судов только с помощью парусных движителей.

Наиболее известным из созданных ветродвижителей является роторный движитель - движитель активного типа, представляющий собой вращаемый цилиндр (ротор), вертикально установленный на палубе судна и использующий для своего движения энергию ветра. В 1852 г. немецкий физик Г.Магнус установил, что, если на вращаемый цилиндр набегает поток воздуха, то скорость потока и окружная скорость вращения по одну сторону цилиндра складываются, а по другую - вычитаются. В связи с тем, что большим скоростям соответствуют меньшие давления, на вращающемся цилиндре, помещенном в потоке воздуха, возникает движущая сила, перпендикулярная потоку (эффект Магнуса). Вращая ротор быстрее или медленнее, можно управлять величиной подъемной силы, увеличивая или уменьшая скорость судна. Двигатель, вращающий ротор, играет роль возбудителя, при этом используемая энергия ветра примерно в 50 раз больше энергии, затраченной им на вращение ротора, и зависит от его частоты вращения и скорости ветра.

Движение против ветра возможно также только галсами, как и обычного парусного судна. Для судов сопоставимого водоизмещения площадь ротора составляет около 0,1 площади парусов, а его масса примерно в 5 раз меньше, чем у парусной оснастки. Роторный движитель обладает преимуществами перед обычным ПВ - он проще в обслуживании (постановка и уборка парусов занимают много времени), быстро входит в рабочий режим, однако роторный движитель имеет и существенные недостатки: обладая значительной массой и большой частотой вращения, при качке он быстро расшатывается, в случае необходимости, например, при усилении ветра или стоянке в порту невозможно снизить парусность роторного движителя, судно с таким типом ПВ должно двигаться переменными галсами все время, его невозможно эффективно использовать при попутном ветре, как обычное ПВ [В.И.Соловьев, Д.А.Чумак, Корабельные движители, под науч. ред. проф. И.Г.Хановича, Военное издательство Министерства Вооруженных Сил Союза ССР, М., 1948 г., с.331-346], [М.М.Жученко, В.М.Иванов, Судовые движители, под общ. ред. проф. Н.Н.Полякова, Судпромгиз, Л., 1956 г., с.11-12].

Известные недостатки данного типа ветродвижителя привели к созданию модифицированного ветродвижителя данного типа, названного "Turbosail" - "Турбопарус", разработанного группой Ж.И.Кусто. Данный тип ветродвижителя создает тягу, приводя судно в движение, с помощью дополнительного механического двигателя, обеспечивающего работу нагнетателя воздуха, создающего поток воздуха, который в свою очередь образует разрежение на одной стороне невращающегося цилиндра засасыванием воздуха внутрь через отверстия в вертикальных стенках цилиндра, обеспечивая тем самым большую часть подъемной силы, т.е. обтекающего элементы парусного вооружения. Данный тип ветродвижителя был установлен на судне Алкиона", построенного фондом Кусто [ж-л "Катера и Яхты", № 4/1984 (110), стр.23].

Наиболее близким аналогом по технической сущности, совокупности существенных признаков и достигаемому эффекту является парусное вооружение судна "Алкиона", оснащенного турбопарусом, принимаемое за прототип.

К недостаткам известного парусного вооружения, принятого за прототип, относятся:

- сложность конструкции и значительные массогабаритные характеристики известного ПВ, невозможность регулировки его формы и площади, в случае необходимости, например, при усилении ветра, шторме, проведении швартовых и грузовых операций, стоянке в порту,

- низкие тяговые характеристики по сравнению с известным парусным вооружением сравнимой массы,

- наличие промежуточных преобразователей энергии от первичного двигателя до парусного движителя, увеличивающие ее потери при преобразовании из одного вида энергии в другой и совокупную массу парусного вооружения,

- необходимость использования для движения судна, оснащенного этим типом парусного вооружения, топлива для первичного двигателя при любой ветровой обстановке, сводя к минимуму выигрыш от использования парусного вооружения на судне,

- ограниченность возможного объема работ по ремонту данного парусного вооружения на борту судна силами экипажа.

Предлагаемое изобретение по способу создания тяги с помощью усовершенствованного парусного вооружения обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в обеспечении движения парусного судна при любой ветровой обстановке, даже при отсутствии ветра, исключительно только с помощью парусного вооружения, без использования дополнительных движительных комплексов. При этом исключаются промежуточные преобразования энергии и достигается снижение общей массы парусного вооружения судна. Обеспечивается также упрощение конструкции парусного вооружения и снижение его стоимости, благодаря возможности использования серийно выпускающихся комплектующих для существующих образцов парусного вооружения.

Указанный технический результат по способу создания тяги достигается тем, что силу тяги, движущую судно, создают в результате взаимодействия паруса(-ов) с потоками нагретого и холодного воздуха, обтекающими парус и воздействующими на него при работе нагревательного устройства.

Усовершенствованное парусное вооружение, осуществляющее указанный выше способ создания тяги, содержит рангоут и такелаж, на которых закреплен парус, установленный таким образом, что проекция указанного паруса на горизонтальную плоскость в направлении, по крайней мере, совпадающем с направлением движения, по меньшей мере, одного из указанных потоков воздуха, не равна нулю. При этом парусное вооружение дополнительно содержит нагревательное устройство, размещенное преимущественно в нижней части паруса.

На фиг.1 схематично изображено парусное вооружение судна, вид сбоку, на фиг.2 - то же, вид сверху, в одном из возможных вариантов исполнения. Усовершенствованное парусное вооружение содержит А-образную мачту 1, на которой размещен парус 2 таким образом, что проекция указанного паруса на горизонтальную плоскость в направлении, по крайней мере, совпадающем с направлением движения, по меньшей мере, одного из упомянутых потоков воздуха, не равна нулю. Свободные концы паруса 2 крепятся на выстрелах 3. Нагревательное устройство 4 размещено внутри парусного вооружения, преимущественно в пределах площади проекции паруса 2 на горизонтальную плоскость.

Усовершенствованное парусное вооружение создает тягу следующим образом. Парусное вооружение судна содержит нагревательное устройство вместо нагнетателя воздуха. При работе данного нагревательного устройства, расположенного преимущественно в нижней части ПВ, воздух, находящийся рядом с ним, нагревается и поднимается вверх. Его место занимают следующие объемы холодного воздуха, находящиеся рядом вокруг ПВ. Таким образом, создается постоянный конвекционный поток с высоким уровнем теплоотдачи и быстрым выходом нагретого воздуха вверх, образуя сильные приповерхностные потоки около поверхности паруса. Таким образом, создается постоянный конвекционный поток с высоким уровнем теплоотдачи и быстрым выходом теплого воздуха вверх, образуя сильные приповерхностные потоки около паруса. При этом потоки воздуха, поднимающиеся вверх, создают горизонтальную проекцию силы тяги, воздействуя на парус ПВ и обеспечивая тем самым часть общей создаваемой тяги. Кроме того, расширение нагревающегося воздуха, увеличивающегося в объеме, также создает повышенное давление на ПВ (подветренную часть паруса) и способствует созданию части тяги. Вследствие наличия тяги, обеспечивающей движение судна вперед, достигается устойчивая конвекция воздуха, т.к. в нижней части ПВ все время находится холодный воздух, а в верхней части - нагретый, благодаря поступлению новых, не нагретых объемов воздуха спереди, и уходу судна от нагретого воздуха, остающегося позади судна. Конвекция воздуха вовлекает в движение все новые объемы воздуха, создавая эффект эжекции воздуха, благодаря которому обеспечивается обтекание ПВ с наветренной стороны горизонтальными потоками воздуха, и создается таким образом, дополнительная тяга, из-за взаимодействия потоков воздуха. При эжектировании окружающего ненагретого воздуха потоком нагретого воздуха может быть достигнуто соотношение между массами эжектируемого и эжектирующего потоков воздуха как 5-6:1. В потоке нагретого воздуха зарождаются вихри, при этом происходит активное перемещивание потоков воздуха и их дополнительный нагрев, что в конечном итоге увеличивает линейную скорость потоков воздуха. Набегающие потоки ненагретого окружающего судно воздуха вымпельного ветра частично проходят непосредственно через ПВ, а частично обтекают его со всех сторон. При этом они увлекают и смешиваются с выходящими потоками воздуха из ПВ, снижая, тем самым, их турбулентность и, соответственно, движению судна. Кроме того, выходящие из нагревательного устройства потоки воздуха, направленные элементами ПВ назад, расширяясь, снижают уменьшение давления на подветренной стороне паруса, обеспечивая, тем самым, плавное обтекание потоками воздуха ПВ и самого паруса.

Управление парусами производится аналогично известным типам мягких парусов, изменение площади паруса обеспечивается использованием обычных способов уборки мягких парусов - наворачиваясь на реи, гики или штаги, обеспечивая тем самым минимальное сопротивление воздействию ветра.

В качестве достоинств предлагаемого парусного вооружения можно указать следующие:

- минимальную суммарную массу парусного вооружения, т.к. применение в качестве основы классического парусного вооружения обеспечивает небольшие массогабаритные характеристики,

- простоту управления, т.к. система теплового нагрева создается на основе существующего оборудования и обладает высокой отработанностью технических решений - контроля, управления, надежности,

- невысокую стоимость и возможность модификации существующего парусного вооружения.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации, решений, содержащих аналогичные признаки, не обнаружено.

Из уровня техники заявителю не известно ни одно техническое решение, направленное на решение указанных задач применительно к парусным судам, парусное вооружение которых обеспечивало движение судна как при наличии, так и при отсутствии ветра, без использования дополнительных двигательно-движительных комплексов.

Использование для решения указанных проблем дополнительных механических двигателей, имеющих принципиально другой вид движения, является существенным подтверждением новизны предлагаемого изобретения.

Таким образом, можно сделать заключение о том, что предложенное устройство и способ его применения не известны из уровня техники и, следовательно, соответствуют критерию патентоспособности "новизна".

Известный набор устройств и/или способов для решения указанных задач не достигает ни в отдельности, ни в той или иной совокупности устройств и/или способов необходимого результата, причем эти варианты не могут быть применены для достижения необходимого результата без существенного изменения сущности известных устройств и/или способов.

Таким образом, заявленное изобретение отвечает условиям изобретательского уровня, ввиду неочевидности предлагаемого технического решения.

На основании сравнительного анализа предложенного решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной информации можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемой целью наблюдается неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что в предложенном устройстве и способах его применения технические решения не следуют явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствуют критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Предложенное техническое решение может найти применение в области создания парусного вооружения нового типа, пригодного для различных типов судов, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "промышленная применимость".

Изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения при данной совокупности признаков заданного технического результата.