Патент на изобретение №2305047

(54) ВОЛНОВОЙ ДВИЖИТЕЛЬ ПОДВОДНОГО АППАРАТА

(57) Реферат:

Волновой движитель подводного аппарата содержит расположенные в ряд вдоль борта аппарата герметичные гофрированные чехлы, герметичное внешнее покрытие этих чехлов, трубопроводы высокого и низкого давления, сообщенные с чехлами для их последовательного надувания и сдувания от носа аппарата к корме, а также трубопровод среднего давления, сообщенный с пространством между чехлами для поддержания давления, равного забортному. Внешнее покрытие и чехлы выполнены из армированной резины. Чехлы прикреплены своими верхними плоскостями к указанному покрытию. Покрытие на участках между верхними плоскостями чехлов выполнено со складками, заправленными внутрь между чехлами. Такое выполнение движителя обеспечивает повышение его эффективности. 2 ил.

Область техники: судовые подводные движители волнового типа.

Уровень техники: я основываюсь на изобретении, сделанном господином Charles В. Momsen, запатентованном 27 октября 1964 года под номером 440-16 (старый номер С1. 115 -.5). «Hydrodynamic travelling wave propulsion apparatus». Кроме того, данное изобретение составлено относительно патента US 3154043 от 27.10.1962 (на 6 стр.) волнового движителя.

В данной работе рассматривается не вся конструкция волнового движителя, но только конструкция эластичной части (чехлов и внешнего покрытия) волнового движителя подводного аппарата. Из вышеуказанных патентов в данной работе нас интересует только конструкция эластичной части волнового движителя.

Согласно данным патентам подводный аппарат способен двигаться под водой, используя волновой движитель. Вдоль борта судна крепятся «эластичные мембраны», которые «последовательно» «гидравлически расширяются (в них накачивается жидкость) и сжимаются (из них выкачивается жидкость)». Таким образом формируется искусственная волна (ИВ), движущаяся вдоль борта подводного аппарата в направлении, противоположном направлению движения самого подводного аппарата. Поверх ряда эластичных мембран натягивается эластичная (растягивающаяся) пленка. Механизм подачи жидкости под давлением в «ячейки» (под мембраны) состоит из следующей гидравлической системы: 1 трубопровод низкого давления (ТНД), 2 трубопровод высокого давления (ТВД), 3 компрессор, накачивающий жидкость, из ТНД в ТВД и рядов ячеек, в которые последовательно закачивается под давлением жидкость. Подача жидкости в ячейки из ТВД и откачка из ячеек в ТНД осуществляется за счет наличия вала, который тянется вдоль борта всего подводного аппарата параллельно ряду ячеек, ТНД и ТВД. В валу есть поперечные отверстия, которые при вращении вала последовательно переключают доступ «ячейка – ТВД» и «ТНД – ячейка».

Решающим достижением господина Charles В. Momsen является то, что он описал основные принципы работы волнового движителя: искусственная волна (ИВ) формируется за счет последовательного расширения ячеек.

Недостатки описанной в данных патентах эластичной части волнового движителя следующие:

во-первых, расширение эластичных растягивающихся мембран происходит при большом расходе энергии, затрачиваемом на деформацию (растягивание) самих мембран и внешней пленки. Эта энергия тратится на преодоление силы, препятствующей деформации, то есть на преодоление силы сжатия со стороны растянутой резиновой мембраны. Утверждение, что при сжатии ячейки эта сила (сила, направленная на сжатие со стороны растянутой резины) оказывается полезной, ошибочно, поскольку не учитывает особенностей конструкции волнового движителя, в частности механизма подкачки и откачки рабочего тела (жидкости или газа) в ячейки. Согласно этому механизму ячейка расширяется потому, что давление внутри нее больше давления забортной воды, а сила сжатия со стороны растянутой мембраны противодействует расширению ячейки. Ячейка сжимается после расширения потому, что давление внутри ячейки оказывается ниже давления забортной воды, а сила сжатия со стороны растянутой мембраны оказывается лишней, поскольку и без нее ячейка сожмется. Таким образом, сила сжатия со стороны растянутой мембраны при расширении ячейки является вредной, а при сжатии – лишней. Механизм волнового движителя предполагает, что внутреннее давление в расширяющейся ячейке больше давления забортной воды ровно настолько, насколько внутреннее давление в сжимающейся ячейке меньше давления забортной воды. Потому идеальной ячейкой при ее расширении была бы такая, которая расходует энергию исключительно на преодоление давления забортной воды, но не на противодействие силе сжатия со стороны растянутой мембраны. Сила сжатия со стороны растянутой мембраны велика, поскольку толщина мембраны должна быть значительной.

Во-вторых, эффективность волнового движителя зависит от отношения высоты искусственной волны к площади ее основания, прикрепленного к борту подводного аппарата. Чем больше это отношение, тем больше КПД волнового движителя. Эластичная мембрана расширяется во все стороны равномерно, что приводит к низкому КПД волнового движителя. Поэтому желательно иметь такую ячейку, которая расширяется не во все стороны, а только в одну – вверх.

В-третьих, недостатком мембраны является то, что она сама не ограничивает пределов своего расширения, а полностью зависит от внутреннего давления. Это может затруднять работу соседних мембран.

В-четвертых, прочность эластичной растягивающейся резины (из которой сделана мембрана) меньше прочности резины, армированной прочной тканью.

Сущность изобретения.

Примечание: в данной работе рассматривается не вся конструкция волнового движителя, но только конструкция эластичной части (чехлов и внешнего покрытия) волнового движителя подводного аппарата.

Примечание: в качестве рабочего тела в системе образования искусственной волны (ИВ) в дальнейшем будет рассматриваться газ (воздух), но не жидкость по следующим причинам:

1. Газ моментально заполняет предоставленный ему объем сосуда. Это позволяет увеличить скорость операций, происходящих в пневматической системе.

2. Газ имеет меньшую удельную плотность, чем жидкость. Поэтому подводный аппарат с волновым движителем, использующим рабочее тело – газ, может иметь на борту больше полезного груза, при этом средняя плотность аппарата в подводном положении останется равной плотности забортной воды.

Сущность искусственной волны (ИВ) состоит в том, что ячейки (герметичные чехлы из гофрированной армированной резины), расположенные в ряд вдоль борта подводного аппарата, расширяются (накачиваются воздухом) и сжимаются (сдуваются) последовательно от носа к корме: каждый следующий чехол в ряду (ячейка) – после предшествующего. Ряд чехлов покрывается снаружи внешним покрытием, функцией которого является участие в формировании искусственной волны (далее ИВ).

Оптимальным материалом для изготовления чехлов (1) и внешнего покрытия (2) является гофрированная армированная прочной тканью резина (Фиг.1). Верхняя плоскость чехлов прикреплена к внешнему покрытию, которое герметично покрывает весь ряд чехлов-ячеек. Эластичная конструкция, состоящая из чехлов и внешнего покрытия, характеризуется тем, что угол наклона верхней плоскости чехлов к плоскости борта подводного аппарата изменяется в зависимости от того, находятся чехлы в состоянии подъема, спуска, максимально накачаны или максимально сжаты.

Таким образом, при возникновении ИВ под действием натяжения внешнего покрытия верхняя плоскость расширяющегося или сжимающегося чехла изменяет угол наклона к борту подводного аппарата (до угла ), повторяя контуры склона ИВ (Фиг.1). Внешнее покрытие (2) для повторения контуров ИВ должно иметь запас площади в виде складок (3) между площадью внешнего покрытия, прикрепленного к верхним плоскостям чехлов. Разглаженные складки вместе с наклоненными верхними плоскостями чехлов должны формировать склон ИВ (К) (Фиг.1).

КПД волнового движителя зависит от величины угла наклона верхней плоскости чехла в момент его подъема и спуска к плоскости борта подводного аппарата, то есть от угла . Чем больше этот угол, тем больше отношение полученной движущей силы F_эф к произведенным затратам энергии на работу волнового движителя. Угол не является постоянным в течение цикла подъема (и спуска) чехла, он достигает своей максимальной величины приблизительно на середине стадии подъема (расширения) чехла (на середине стадии спуска (сжатия) чехла), когда чехол (ячейка) находится в полурасширенном (полусжатом) состоянии.

Ту же мысль можно выразить иначе: волновой движитель тем эффективнее, чем больше значение tg. Где tg=h/S (Фиг.1).

Часть площади внешнего покрытия (2), не прикрепленная к верхним плоскостям чехлов, находится в состоянии гофрированных складок (3). Эти складки сжаты, когда соседние чехлы, между которыми они находятся, расположены на одном уровне. На этапе подъема или спуска чехла складки внешнего покрытия растягиваются. Растянутые складки внешнего покрытия вместе с площадью, прикрепленной к верхней плоскости поднимающегося (опускающегося) чехла, вытягиваются в плоскость, которая к борту аппарата лежит под углом (Фиг.1).

Для того чтобы создать ИВ определенной формы, нужно задать следующие параметры:

1. Определить конфигурацию ИВ. Количество максимально поднятых (расширенных) чехлов должно равняться двум (для одной ИВ) (чехлы №3 и №4). Это делается для того, чтобы при движении ИВ вдоль борта подводного аппарата ее высота (h) оставалась постоянной. Внутренний объем рабочего тела, содержащегося в чехлах №3 и №4, равен и заполняет весь объем этих чехлов. Два чехла находятся в полурасширенном (полусжатом) состоянии. Это чехлы №2 и №5. Так чехол №5 находится в процессе подъема в полурасширенном состоянии, а чехол №2 находится в процессе спуска в полусжатом состоянии. Внутренние объемы рабочего тела, содержащегося в чехлах №2 и №5, равны и заполняют половину объемов этих чехлов. Третья пара чехлов (чехлы №1 и №6) находится в полностью сжатом состоянии. При выбранной конфигурации ИВ в образовании одной ИВ перманентно принимает участие шесть чехлов (чехлы №1; №2; №3; №4; №5; №6). В том числе два чехла (№3; №4) находятся в максимально поднятом (расширенном) состоянии, два чехла (№1; №6) находятся в максимально сжатом состоянии, чехол №5 находится в состоянии подъема (в полурасширенном состоянии), а чехол №2 находится в состоянии спуска (в полусжатом состоянии) (Фиг.1). Перманентно закачка рабочего тела под давлением, превышающим давление забортной воды, производится одновременно в два чехла (№5 и №4). Одновременно с этим в течение того же момента времени производится откачка рабочего тела из двух чехлов (№2 и №1). В течение того же момента времени чехол №6 находится в максимально сжатом состоянии, а чехол №3 – в максимально расширенном состоянии (Фиг.№1).

2. Нужно знать значение высоты (h), на которую поднимается (расширяется) чехол в максимально поднятом (расширенном) состоянии по отношению к уровню чехлов, находящихся в максимально спущенном (сжатом) состоянии (Фиг.1). Известно, что гофрированные чехлы расширяются только вверх (в одном направлении).

3. Планируемая длина склона (К) ИВ равна:

Склон ИВ формируется при участии наружного покрытия, не позволяющего чехлам располагаться ступеньками, а это является условием создания движущей силы.

В состав длины склона ИВ (К) включается длина верхней плоскости поднимающегося (опускающегося) чехла (L) и часть наружного покрытия в виде распрямленных гофрированных складок. Из этого следует, что на один участок площади внешнего покрытия прикрепленного к верхней плоскости чехла приходится относящаяся к нему часть площади внешнего покрытия, приходящаяся на складки, равная (К-L)/2 (Фиг.1).

Чехол должен быть достаточно гибким в полунакачанном состоянии, чтобы его верхняя плоскость с минимальными усилиями изгибалась под углом к борту подводного аппарата так, как изгибаются меха баяна. Затраты энергии на наклон верхней плоскости чехла до угла в обе стороны к плоскости борта аппарата должны быть минимальны, поскольку этим определяется КПД ИВ. При проектировании чехла следует учитывать, что такой угол является максимальным, до которого наклоняется верхняя плоскость чехла, находящегося в полунакачанном (полусжатом) состоянии.

Из вышесказанного следует, что внешнее покрытие не должно растягиваться, но должно при натяжении придавать угол (на схеме Фиг.1 это угол ) наклона верхней плоской поверхности поднимающегося (опускающегося) чехла по отношению к плоскости борта аппарата.

Существует две основные функции внешнего покрытия (2), покрывающего ряд чехлов (1):

1. Покрытие создает угол наклона верхней плоскости чехлов в процессе их поднятия (опускания), что делает всю конструкцию движителем. То есть натяжение покрытия между накачанным чехлом и ближайшим ненакачанным чехлом формирует склон ИВ.

2. Покрытие делает конструкцию более прочной как при внутренних перегрузках (избыточное давление воздуха в чехлах), так и предотвращает внешние механические повреждения.

Требования к прочности чехлов таковы: герметичный чехол должен выдерживать внутреннее давление рабочего тела, равное разности между давлением воздуха в ТВД и давлением забортной воды. При закачивании рабочего тела (воздуха) внутрь чехла, он должен раздуваться (расширять свой объем) не во все стороны, а только в одном направлении (по вертикали Фиг.1), распрямляя складки, но не в бока, чтобы не затруднять работы соседних чехлов. Чтобы соблюсти это требование, материалом для изготовления чехлов выбрана гофрированная армированная тканью резина. Она не пропускает воды, воздуха, не растягивается и выдерживает большое количество сгибов по линии изгиба. Сам чехол должен расширяться и сжиматься в одном направлении (по вертикали) по принципу кузнечных мехов. Чехол в накачанном состоянии имеет форму параллелепипеда. На схеме Фиг.2 изображен чехол, у которого боковые плоскости отделены друг от друга. Каждая линия на схеме обозначает линию изгиба плоскости. В собранном состоянии сторона 1 крепится к стороне 2, сторона 3 – к стороне 4, сторона 5 – к стороне 6. Буквой X отмечена нижняя плоскость, к которой крепится чехол и через которую подкачивается и откачивается рабочее тело (воздух). Буквой Y отмечена верхняя плоскость чехла, к которой крепится внешнее покрытие.

Эластичность внешнего покрытия при распрямлении его складок позволяет формировать гладкий склон ИВ, но не растягиваться.

Следует учитывать, что рабочее тело – газ (воздух), которым накачиваются чехлы, способен сжиматься и расширяться под внешним механическим воздействием. Так в момент подъема (расширения) чехла №5 соседний чехол №4 будет сжиматься, а чехол №6, находящийся в исходном положении (справа от чехла №5), будет расширяться под действием силы натяжения со стороны внешнего покрытия (Фиг.1). Потому при проектировании длины складок внешнего покрытия следует их уменьшить с учетом данной особенности. Таким образом, внешнее покрытие является фактором, ограничивающим высоту поднятия чехла (h).

Складки внешнего покрытия (3) должны быть заправлены внутрь между чехлов (1), чтобы при движении подводного аппарата создавать наименьшее сопротивление забортной воде.

Гофрировать чехлы и верхнюю плоскость внешнего покрытия следует гибкой и прочной тканью.

Таким образом, сила, затрачиваемая на расширение ячейки (раскладывание чехла) и на наклоны его верхней плоскости до нужного угла , должна быть минимальной. Это обусловлено отсутствием силы, направленной на сжатие со стороны растянутой резины. Энергия сжатого воздуха в ТВД затрачивается только на преодоление силы давления забортной воды, но не на преодоление силы сжатия растянутой резины. Исходя из данной особенности чехла из гофрированной армированной резины, основными принципами пневматической системы волнового движителя (ПСВД) являются:

1. Среднее давление в пневматической системе равно давлению забортной воды.

2. Давление забортной воды ниже давления рабочего тела в ТВД ровно настолько, насколько давление рабочего тела в ТНД ниже давления забортной воды.

Разность давления между давлением рабочего тела в ТВД и давлением рабочего тела в ТНД должна быть достаточной для расширения ячейки: нагибания ее верхней плоскости до нужного угла и поднятия до заданного уровня (высоты h).

Когда давление рабочего тела (воздуха) в ячейке оказывается равным давлению рабочего тела в ТВД, чехол поднимается (расширяется), тратя всю энергию на преодоление давления забортной воды, но не силы сжатия со стороны растянутой резины. Когда давление рабочего тела в ячейке опускается ниже давления забортной воды до уровня давления рабочего тела в ТНД, чехол опускается (сжимается) в исходное состояние без помощи силы, направленной на сжатие со стороны растянутой резины. Если давление рабочего тела в ячейке оказывается равным давлению забортной воды, то ячейка находится в полурасширенном (полусжатом) состоянии. Полурасширенное (полусжатое) состояние ячейки (чехла) является таким состоянием ячейки (чехла), при котором пневматическая система волнового движителя (ПСВД) не затрачивает энергии на приведение ячейки к данному состоянию.

Важен аспект пространства между чехлами (4). Пространство между двумя соседними чехлами (4) ограничено гофрированными стенками чехлов (с двух боков), жестким корпусом подводного аппарата (снизу) и внешним покрытием (сверху), складка которого раскладывается, когда соседние чехлы подняты на разный уровень. Пространства между чехлами (4) соединены с трубопроводом среднего давления (ТСД) (через отверстие в жестком корпусе подводного аппарата), давление в котором поддерживается равным давлению забортной воды. Движение рабочего тела (воздуха) между ТСД и межчехольными пространствами двустороннее.

Сведения, подтверждающие возможность и целесообразность осуществления изобретения. Не существует неразрешимых технических проблем, препятствующих воплощению эластичной части волнового движителя в жизнь. Особенностью гофрированных эластичных деталей волнового движителя является их способность распрямлять и сгибать складки под внутренним давлением рабочего тела и внешним давлением забортной воды. Материал для изготовления эластичной части волнового движителя – гофрированная армированная резина – широко известен и применяется в технике. Также допускается применение силиконового материала для создания эластичной части волнового движителя. Основной технической проблемой при воплощении эластичной части волнового движителя является обеспечение герметичности конструкции.

Формула изобретения

Волновой движитель подводного аппарата, содержащий расположенные в ряд вдоль борта аппарата герметичные чехлы, герметичное внешнее покрытие этих чехлов, а также трубопроводы высокого и низкого давления, сообщенные с чехлами для их последовательного надувания и сдувания от носа аппарата к корме, отличающийся тем, что чехлы и внешнее покрытие выполнены из армированной резины, причем чехлы выполнены гофрированными и прикреплены своими верхними плоскостями к указанному покрытию, которое на участках между верхними плоскостями чехлов выполнено со складками, заправленными внутрь между чехлами, при этом движитель снабжен трубопроводом среднего давления, сообщенным с пространством между чехлами для поддержания давления, равного забортному.

РИСУНКИ