10592

(19) BY (11) 10592

(13) U (46) 2015.02.28

(51) МПК

ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ (12)

РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ

СОБСТВЕННОСТИ

B 63H 20/00 (2006.01)

(54) ГИДРОРЕАКТИВНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ

(21) Номер заявки: u 20140372 (22) 2014.10.13 (71) Заявитель: Володько Александр Ва-

лерьевич (BY)

(72) Автор: Володько Александр Валерье-вич (BY)

(73) Патентообладатель: Володько Алек-сандр Валерьевич (BY)

(57) 1. Гидрореактивный движитель, включающий водоводную трубу с водозаборным кон-

туром, во входной части которой смонтирован гребной винт с лопатками на приводном валу, отличающийся тем, что водоводная труба содержит средство привода и выполнена цельной с возможностью вращения вокруг продольной оси, при этом водозаборный кон-тур представлен спиралевидными лопатками выпукло-вогнутого сечения, которые уста-новлены на внутренней цилиндрической поверхности водоводной трубы, лопатки гребного винта выполнены в форме винтовой спирали с выпукло-вогнутым сечением, а средство привода водоводной трубы кинематически или функционально связано с при-водным валом гребного винта, при этом водоводная труба и гребной винт выполнены с возможностью одновременного вращения навстречу друг другу.

2. Движитель по п. 1, отличающийся тем, что лопатки водоводной трубы и гребного винта выполнены в количестве не менее двух с углом уклона к образующей цилиндриче-ской поверхности в интервале n = 15-55°, при этом разница уклона основания и верхней части лопатки по высоте составляет 0-40°, а наклон лопатки относительно продольной оси движителя составляет p = 90±20°.

Фиг. 1 BY

105

92 U

201

5.02

.28

BY 10592 U 2015.02.28

2

3. Движитель по п. 1, отличающийся тем, что соотношение высоты лопаток водовод-ной трубы ht и высоты лопаток гребного винта hv соответствует ряду: ht:hv = 1:1, или 1:2, или 1:3 и т.д.

4. Движитель по п. 1, отличающийся тем, что средство привода водоводной трубы содержит узел крепления, выполненный, например, в виде крестовины из радиальных стержней, одни концы которых жестко соединены с посадочным кольцом, смонтирован-ным осесимметрично относительно продольной оси водоводной трубы, а другие концы стержней крестовины закреплены на торцевой стенке входной части водоводной трубы, при этом водоводная труба с гребным винтом выполнена с возможностью установки вне корпуса или в корпусе судна, а движитель снабжен общим приводным двигателем для во-доводной трубы и гребного винта.

5. Движитель по любому из пп. 1 и 4, отличающийся тем, что приводной вал гребно-го винта выполнен в виде цилиндрической ступицы и смонтирован в узле крепления во-доводной трубы, средство привода которой выполнено в виде полого приводного вала, внутри полости которого соосно установлен приводной вал гребного винта, а оба привод-ных вала кинематически связаны между собой посредством редуктора, выходной вал ко-торого соединен с приводным двигателем судна.

6. Движитель по любому из пп. 1 и 4, отличающийся тем, что гребной винт функцио-нально связан с водоводной трубой, которая установлена внутри корпуса судна, при этом движитель снабжен отдельными приводными двигателями для гребного винта и для водо-водной трубы, а средство привода водоводной трубы выполнено в виде зубчатой обечай-ки, смонтированной на ее внешней цилиндрической поверхности и кинематически связанной с валом приводного двигателя, или в виде электромагнитного привода, или в виде любого другого известного привода.

(56) 1. RU 2452653 C2, 2011. 2. RU 2513333 C1, 2014. 3. GB 476226, 1937. 4. RU 2455191 C2, 2012 (прототип). Полезная модель относится к судостроению, в частности к гребным винтам и движи-

телям для моторных лодок, катеров, яхт и других судов гражданского или военного на-значения.

Известен гребной винт конструкции Калашникова [1]. Гребной винт содержит ступи-цу с присоединенными к ней лопастями выпукло-вогнутого сечения. Рабочие поверхно-стями винта выполнены в виде спиралевидных участков и с углом наклона к нижним кромкам лопастей. Винтовая поверхность имеет полый усеченный конус, в котором нахо-дятся лопасти, профиль которых равномерно по спирали закручен на 180° и монотонно уменьшается по мере удаления от оси винта. Гребной винт снабжен водозаборником с водо-заборными лопатками. Пространство между лопастями ограниченно, причем все лопасти находятся в закрытом корпусе, и имеет разницу диаметров винта, где диаметр засасы-вающей поверхности винта на приеме больше, чем диаметр на выбросе. Соотношение кривизны засасывающей и нагнетающей поверхностей в районе входящей кромки опреде-ляет величину угла безударного входа для заданной величины нагнетающей силы и уст-раняет пики разрежения в районе входящей кромки для заданного режима работы гидравлического движителя.

Известен также гребной винт Староверова [2]. Гребной винт включает два вращаю-щихся в разные стороны винта, при этом имеет один винт меньшего диаметра, но вра-

BY 10592 U 2015.02.28

3

щающийся с большей угловой скоростью и содержащий большее число лопастей. Мень-ший винт предпочтительно располагать позади (относительно направления тяги) большо-го винта, чтобы концевые вихри с его лопастей не нарушали обтекание лопастей большого винта, который рассчитывается с учетом набегающего потока от первого винта и с учетом закрутки потока. Предусмотрен вариант гребного винта, когда два винта при-водятся в движение двумя одинаковыми моторами: меньший винт - непосредственно, а больший - через двухшестеренчатый редуктор со скоростью, в 1,4-1,6 раза меньшей.

В патенте [3] описан гребной винт из двух блоков. Блоки с лопастями вращаются в противоположных направлениях с разной скоростью, при этом суммарный момент реак-ции равен нулю. Лопасти выполнены с двойной кривизной в продольном и поперечном направлениях и установлены под углом в интервале 5-40°. Передний край и концы лопа-стей содержат утолщения в направлении движения и установлены в головной вращаю-щейся части винта. Совокупная форма винта - головная часть, две части с лопастями выполнены обтекаемой формы, а каждая часть отстоит друг от друга на расстоянии с мак-симальным зазором между лопастями в 20 % от общего диаметра гребного винта.

Недостатком известных конструкций гребных винтов является невысокий КПД и низ-кая тяга из-за относительно небольшой массы воды, отбрасываемой лопастями винтов.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению водометный движитель, выбранный в качестве прототипа [4]. Движитель представляет собой профилированную водоводную трубу, содержащую во входной ее части гребной винт. На определенном расстоянии после гребного винта целостность трубы прерывается водозаборным контуром. Профилированная водоводная труба установлена в корпусе плавсредства и ориентирована своей продольной осью вдоль его продольной оси. В начале трубы расположен лопастной механизм - гребной винт - для выталкивания к выходу поступившей в трубу воды. На определенном расстоя-нии по продольной оси от винта цельность трубы прерывается замкнутым водозаборным контуром для забора дополнительной порции воды. Дальнейшее развитие контура опять представляет собой трубу для транспортировки суммарной массы воды вплоть до ее вы-хода из сопла. При вращении гребного винта ускоренная в своем движении масса воды достигает заборного контура и, увеличиваясь за счет набегающего в контур дополнитель-ного водного потока извне и его всасывания, увеличивает свою массу, т.к. при неизменной затрате энергии уменьшается ускорение увеличенной массы воды.

Недостатком прототипа является повышенное сопротивление движителя набегающе-му потоку воды за счет водозаборного контура и снижение вследствие этого КПД устрой-ства в целом.

Задачей полезной модели является устранение отмеченных недостатков и повышение эффективности работы гидрореактивного движителя.

Техническим результатом полезной модели является повышение КПД движителя и снижение энергетических затрат на его привод.

Технический результат достигается тем, что в гидрореактивном движителе, включаю-щем водоводную трубу с водозаборным контуром, во входной части которой смонтирован гребной винт с лопатками на приводном валу, согласно полезной модели, водоводная тру-ба содержит средство привода и выполнена цельной с возможностью вращения вокруг продольной оси, при этом водозаборный контур представлен спиралевидными лопатками выпукло-вогнутого сечения, которые установлены на внутренней цилиндрической по-верхности водоводной трубы, лопатки гребного винта выполнены в форме винтовой спи-рали с выпукло-вогнутым сечением, а средство привода водоводной трубы кинематически или функционально связано с приводным валом гребного винта, при этом водоводная труба и гребной винт выполнены с возможностью одновременного вращения навстречу друг другу.

Лопатки водоводной трубы и гребного винта выполнены в количестве не менее двух с углом уклона к образующей цилиндрической поверхности в интервале n = 15-55°, при

BY 10592 U 2015.02.28

4

этом разница уклона основания и верхней части лопатки по высоте составляет 0-40°, а на-клон лопатки относительно продольной оси движителя составляет p = 90±20°.

Соотношение высоты лопаток водоводной трубы ht и высоты лопаток гребного винта hv соответствует ряду: ht:hv = 1:1, или 1:2, или 1:3 и т.д.

Средство привода водоводной трубы содержит узел крепления, выполненный, напри-мер, в виде крестовины из радиальных стержней, одни концы которых жестко соединены с посадочным кольцом, смонтированным осесимметрично относительно продольной оси водоводной трубы, а другие концы стержней крестовины закреплены на торцевой стенке входной части водоводной трубы, при этом водоводная труба с гребным винтом выполне-на с возможностью установки вне корпуса или в корпусе судна, а движитель снабжен об-щим приводным двигателем для водоводной трубы и гребного винта.

Приводной вал гребного винта выполнен в виде цилиндрической ступицы и смонти-рован в узле крепления водоводной трубы, средство привода которой выполнено в виде полого приводного вала, внутри полости которого соосно установлен приводной вал гребного винта, а оба приводных вала кинематически связаны между собой посредством редуктора, выходной вал которого соединен с приводным двигателем судна.

Гребной винт функционально связан с водоводной трубой, которая установлена внут-ри корпуса судна, при этом движитель снабжен отдельными приводными двигателями для гребного винта и для водоводной трубы, а средство привода водоводной трубы выполнено в виде зубчатой обечайки, смонтированной на ее внешней цилиндрической поверхности и кинематически связанной с валом приводного двигателя, или в виде электромагнитного привода, или в виде любого другого известного привода.

Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-18. На фиг. 1 показан общий вид гидрореактивиого движителя в сборе с редуктором. На фиг. 2 - водоводная труба, вид сзади. На фиг. 3 - гребной винт, вид спереди. На фиг. 4 - гребной винт, вид сзади. На фиг. 5 - движитель в сборе, вид спереди. На фиг. 6 - движитель в сборе, вид сзади. На фиг. 7 и 8 схематично показан угол n уклона лопаток к образующей цилиндриче-

ской поверхности гребного винта и водоводной трубы соответственно. На фиг. 9 и 10 схематично изображен угол p наклона лопаток относительно продоль-

ной оси движителя гребного винта и водоводной трубы соответственно. На фиг. 11 и 12 схематично показана кривизна формы лопаток гребного винта и водо-

водной трубы соответственно. На фиг. 13 - вид проекции на плоскость лопаток гребного винта и водоводной трубы

при их взаимном вращении и схема движения потока воды в зонах низкого и высокого давления.

На фиг. 14 и 15 - схема проекций хода лопаток на цилиндрическую поверхность кор-пуса водоводной трубы.

На фиг. 16 - схема установки движителя вне корпуса судна с общим приводным дви-гателем.

На фиг. 17 и 18 - схемы установки движителя в корпусе судна с общим приводным двигателем и с отдельными приводными двигателями соответственно.

Гидрореактивный движитель 1 включает водоводную трубу 2, содержащую водоза-борный контур в виде спиралевидных лопаток 3 на внутренней цилиндрической поверх-ности 4, крестовину 5 узла крепления 6 с посадочным кольцом 7 во входной части 8; гребной винт 9 с винтовыми спиралевидными лопатками 10 на цилиндрической поверхно-сти 11 ступицы 12, смонтированной во входной части 8 водоводной трубы 2; крестовина 5 содержит стержни 13, одни концы которых жестко соединены с посадочным кольцом 7 с образованием осесимметричного узла крепления 6 для крепления полого приводного вала

BY 10592 U 2015.02.28

5

14 водоводной трубы 2, а другие концы стержней 13 закреплены на торце 15 водоводной трубы 2 на входной части 8.

Гидрореактивный движитель 1 работает следующим образом. Предварительно изготавливают компоненты движителя и производят их сборку. При

этом гребной винт 9 выполняют не менее чем с двумя, но предпочтительно с четырьмя лопатками 10, причем на цилиндрической поверхности 11 ступицы 12 монтируют винто-вые спиралевидные лопатки 10 с заданным шагом на всю длину ступицы 12. Ступицу 12 устанавливают в полости 16 приводного вала 14 водоводной трубы 2 и посредством муф-ты 17 через редуктор 18 соединяют с приводным двигателем 19 судна 20.

Водоводную трубу 2 выполняют цельной в форме полого цилиндра. Во входной части 8 монтируют узел крепления 6 в виде крестовины 5 с посадочным кольцом 7, в котором устанавливают полый приводной вал 14 водоводной трубы 2. Водозаборный контур водо-водной трубы 2 выполняют в виде спиралевидных лопаток 3 выпукло-вогнутого сечения и устанавливают по спирали с заданным шагом на всю длину водоводной трубы 2. Число лопаток 3 составляет не менее двух, но преимущественно их количество задают в три раза больше числа лопаток 10 гребного винта 9, что определяется конструктивными особенно-стями движителя 1. При этом водоводная труба 2 с гребным винтом 9 выполнена с воз-можностью установки вне или внутри корпуса 28 судна 20, а движитель 1 снабжен общим приводным двигателем 19 для водоводной трубы 2 и гребного винта 9.

Движитель 1 может быть также снабжен отдельным приводным двигателем 29 для гребного винта 9 и отдельным приводным двигателем 30 для водоводной трубы 2 (фиг. 18), а средство привода водоводной трубы выполнено, например, в виде зубчатой обечайки 31, смонтированной на внешней цилиндрической поверхности 32 водоводной трубы 2, и кинематически через зубчатую шестерню связано с валом (на фигурах не пока-зано) приводного двигателя 30, который может быть заменен электромагнитным приво-дом (на фигурах не показано) или выполнен в виде любого другого известного привода.

Угол уклона лопаток 3 водоводной трубы 2 и лопаток 10 гребного винта 9 к соответст-вующим цилиндрическим поверхностям 4 и 11 задают в интервале n = 15-55° (фиг. 7 и 8), при этом разница уклона основания 21 и верхней части 22 лопаток 3 и 10 по высоте составляет 0-40° (фиг. 7, отметка A), а наклон лопаток 3 и 10 относительно продольной оси движите-ля составляет p = 90±20° (фиг. 9 и 10). Высоту ht лопаток 3 водоводной трубы 2 и высоту hv лопаток 10 гребного винта 9 выполняют исходя из соотношений ряда: ht:hv = 1:1, или 1:2, или 1:3 и т.д., и определяется конструктивными особенностями движителя. Опти-мальный радиальный зазор между лопатками 3 водоводной трубы 2 и лопатками 10 греб-ного винта 9 задается расчетом и зависит от требуемой величины гидравлического давления в потоке воды при работе движителя 1 (фиг. 13). Форму лопаток 3 и 10 задают исходя из следующего. Внешнюю сторону 23 указанных лопаток выполняют выпуклой по дуге с радиусом, обеспечивающим отклонение на угол £ = 5-30° между тремя или более смежными точками, взятыми на прямой, касательной к дуге. Указанное отклонение вы-полняют на длине не более m = 3/4 от основания 21 лопаток (фиг. 11). Внутреннюю сторо-ну 24 лопаток 3 и 10 выполняют в форме вогнутой поверхности аналогичным образом (фиг. 12). Термины "внешняя" и "внутренняя" стороны лопатки условны и определяются направлением выброса воды в зависимости от конструкции движителя.

Далее производят сборку движителя 1, для чего гребной винт 9 устанавливают во внутрь водоводной трубы 2, при этом цилиндрическую ступицу 12 гребного винта 9 сво-бодным концом устанавливают в полости 16 приводного вала 14 водовозной трубы 2, за-крепляют в подшипниках (на фигурах не показано), а вал 14 водоводной трубы 2 монтируют в посадочном кольце 7 узла крепления 6. Собранный движитель 1 подсоеди-няют через муфту 17 с выходным валом (на фигурах не показано) редуктора 18, входной вал 25 которого соединяют с приводным двигателем 19 судна 20. Редуктор 18 обеспечива-ет возможность одновременного вращения водоводной трубы 2 и гребного винта 9 на-встречу друг другу с частотой из ряда 1:1, или 1:2, или 2:1 и т.д.

BY 10592 U 2015.02.28

6

Принцип работы гидрореактивного движителя. Лопатки 3 и 10 водоводной трубы и гребного винта соответственно при вращении на-

встречу друг другу захватывают воду и образуют в полости водоводной трубы 2 зоны вы-сокого 26 и низкого 27 давления. На фиг. 13 показаны проекции этих зон на плоскость, которые имеют форму треугольников. Области низкого давления (о.н.д.) показаны верти-кальными стрелками, а области высокого давления (о.в.д.) - сходящимися наклонными стрелками. За один оборот водоводной трубы 2 и один оборот гребного винта 9 движитель 1 выбрасывает из входной части 6 водоводной трубы 2 объем воды, равный утроенному объему, сметаемому лопатками 10 и 3 гребного винта 9 и водоводной трубы 3 соответст-венно, так как длина периметра цилиндрического корпуса водоводной трубы 2 выбрана равной трем длинам каждой из лопаток 10 и 3 гребного винта 9 и водоводной трубы 2. При этом ход Xv и Xt лопаток гребного винта 9 и водоводной трубы 2 соответственно в проекции на цилиндрический корпус водоводной трубы уменьшается в два раза, а совме-стно они проходят длину X1, равную длине Lλ любой из лопаток гребного винта Ldv и во-доводной трубы Ldt соответственно (фиг. 14, 15). При одновременном вращении навстречу друг другу лопаток 10 и 3 соответственно гребного винта 9 и водоводной трубы 2 количе-ство воды, выбрасываемой движителем 1, увеличивается в два раза и составляет шесть объемов. В зависимости от выбранных соотношений частот вращения лопаток 10 и 3 на-встречу друг другу из ряда 1:1, или 1:2, или 2:1 и т.д. погрешность в оценке объема выбра-сываемой воды составляет не более 25 %.

Испытания показали, что гидрореактивный движитель 1 при радиусе вододоводной трубы - 180 мм, длине движителя - 300 мм и числе оборотов лопаток - 1000 об/мин обес-печивает скорость выброса воды не менее 30 м/с, при этом скорость движения плавсред-ства достигает 108 км/ч.

При изменении направления вращения (реверсе) гребного винта 9 и водоводной трубы 2 относительно друг друга, при тех же технических характеристиках движителя, объем выталкиваемой воды достигает порядка 90 м3 (90 т), при этом скорость выброса воды со-ставляет 15 м/с, а скорость движения плавсредства достигает 54 км/ч.

Испытания показали, что по сравнению с прототипом предлагаемый гидрореактивный движитель характеризуется более высоким КПД и пониженным потреблением энергии на его привод.

Гидрореактивный движитель может использоваться как обычный гребной винт в воде с установкой вне корпуса судна (лодки) (фиг. 16). Также он может быть установлен непо-средственно в корпус судна 20 (фиг. 17 и 18) с забором воды извне. В отличие от прототи-па и существующих водометных движителей забор воды может проходить вдоль судна (лодки) параллельно днищу и выходить в носовой части. При этом скорость забора воды будет выше скорости судна, что обеспечивает существенное уменьшение сопротивления водной массы при движении судна.

На больших судах для привода гидрореактивного движителя 1 предпочтительно уста-навливать в корпусе судна (фиг. 17 и 18). При использовании гидрореактивных движите-лей с большим диаметром водоводной трубы 2 для привода целесообразно устанавливать отдельные двигатели для водоводной трубы 2 и гребного винта 9 (фиг. 18).

Из описания для специалиста очевидным образом следует, что возможно применение различных видов приводных двигателей. Так, гребной винт 9 можно приводить во враще-ние двигателем внутреннего сгорания, а водоводную трубу 2 вращать, например, с ис-пользованием электромагнитных приводов, аналогичных приводам транспортных средств на магнитной подушке, таких как магнитопланов, или маглевов, или иных известных при-водов.

Техническое решение соответствует требованиям "промышленная применимость" и "новизна", что следует из приведенного выше описания полезной модели и уровня техни-ки.

BY 10592 U 2015.02.28

7

Фиг. 2 Фиг. 3

Фиг. 4 Фиг. 5

Фиг. 6

BY 10592 U 2015.02.28

8

Фиг. 7 Фиг. 8

Фиг. 9 Фиг. 10


BY 10592 U 2015.02.28

9




Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.

10592

Science

Transcript of 10592