Гидрореактивный движитель

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Володько Александр Валерьевич(72) Автор Володько Александр Валерьевич(73) Патентообладатель Володько Александр Валерьевич(57) 1. Гидрореактивный движитель, включающий водоводную трубу с водозаборным контуром, 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 контур представлен спиралевидными лопатками выпукло-вогнутого сечения, которые установлены 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 приводным 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 цилиндрической поверхности в интервале 15-55, при этом разница уклона основания и верхней части лопатки по высоте составляет 0-40, а наклон лопатки относительно продольной оси движителя составляет 9020. 105922015.02.28 3. Движитель по п. 1, отличающийся тем, что соотношение высоты лопаток водоводной трубыи высоты лопаток гребного винтасоответствует ряду 11, или 12,или 13 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, 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 выполнена с возможностью установки вне корпуса или в корпусе судна, а движитель снабжен общим приводным двигателем для водоводной трубы и гребного винта. 5. Движитель по любому из пп. 1 и 4, отличающийся тем, что приводной вал гребного винта выполнен в виде цилиндрической ступицы и смонтирован 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. 6. Движитель по любому из пп. 1 и 4, отличающийся тем, что гребной винт функционально связан с водоводной трубой, которая установлена внутри 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.(56) 1.2452653 2, 2011. 2.2513333 1, 2014. 3.476226, 1937. 4.2455191 2, 2012 (прототип). Полезная модель относится к судостроению, в частности к гребным винтам и движителям для моторных лодок, катеров, яхт и других судов гражданского или военного назначения. Известен гребной винт конструкции Калашникова 1. Гребной винт содержит ступицу с присоединенными к ней лопастями выпукло-вогнутого сечения. Рабочие поверхностями винта выполнены в виде спиралевидных участков и с углом наклона к нижним кромкам лопастей. Винтовая поверхность имеет полый усеченный конус, в котором находятся лопасти, профиль которых равномерно по спирали закручен на 180 и монотонно уменьшается по мере удаления от оси винта. Гребной винт снабжен водозаборником с водозаборными лопатками. Пространство между лопастями ограниченно, причем все лопасти находятся в закрытом корпусе, и имеет разницу диаметров винта, где диаметр засасывающей поверхности винта на приеме больше, чем диаметр на выбросе. Соотношение кривизны засасывающей и нагнетающей поверхностей в районе входящей кромки определяет величину угла безударного входа для заданной величины нагнетающей силы и устраняет пики разрежения в районе входящей кромки для заданного режима работы гидравлического движителя. Известен также гребной винт Староверова 2. Гребной винт включает два вращающихся в разные стороны винта, при этом имеет один винт меньшего диаметра, но вра 2 105922015.02.28 щающийся с большей угловой скоростью и содержащий большее число лопастей. Меньший винт предпочтительно располагать позади (относительно направления тяги) большого 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 приводятся 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 реакции равен нулю. Лопасти выполнены с двойной кривизной в продольном и поперечном направлениях и установлены под углом в интервале 5-40. Передний край и концы лопастей содержат утолщения в направлении движения и установлены в головной вращающейся части винта. Совокупная форма винта - головная часть, две части с лопастями выполнены обтекаемой формы, а каждая часть отстоит друг от друга на расстоянии с максимальным зазором между лопастями в 20 от общего диаметра гребного винта. Недостатком известных конструкций гребных винтов является невысокий КПД и низкая 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 расстоянии 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 выхода из сопла. При вращении гребного винта ускоренная в своем движении масса воды достигает заборного контура и, увеличиваясь за счет набегающего в контур дополнительного 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 набегающему потоку воды за счет водозаборного контура и снижение вследствие этого КПД устройства 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, включающем водоводную трубу с водозаборным контуром, во входной части которой смонтирован гребной винт с лопатками на приводном валу, согласно полезной модели, водоводная труба 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 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 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 15-55, при 3 105922015.02.28 этом разница уклона основания и верхней части лопатки по высоте составляет 0-40, а наклон лопатки относительно продольной оси движителя составляет 9020. Соотношение высоты лопаток водоводной трубыи высоты лопаток гребного винтасоответствует ряду 11, или 12, или 13 и т.д. Средство привода водоводной трубы содержит узел крепления, выполненный, например, 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 выполнена с возможностью установки вне корпуса или в корпусе судна, а движитель снабжен общим приводным двигателем для водоводной трубы и гребного винта. Приводной вал гребного винта выполнен в виде цилиндрической ступицы и смонтирован 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 внутри 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 уголуклона лопаток к образующей цилиндрической поверхности гребного винта и водоводной трубы соответственно. На фиг. 9 и 10 схематично изображен уголнаклона лопаток относительно продольной оси движителя гребного винта и водоводной трубы соответственно. На фиг. 11 и 12 схематично показана кривизна формы лопаток гребного винта и водоводной 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 корпуса водоводной трубы. На фиг. 16 - схема установки движителя вне корпуса судна с общим приводным двигателем. 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 водозаборный контур в виде спиралевидных лопаток 3 на внутренней цилиндрической поверхности 4, крестовину 5 узла крепления 6 с посадочным кольцом 7 во входной части 8 гребной винт 9 с винтовыми спиралевидными лопатками 10 на цилиндрической поверхности 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 4 105922015.02.28 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 винтовые 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 муфты 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 водоводной 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 особенностями движителя 1. При этом водоводная труба 2 с гребным винтом 9 выполнена с возможностью 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 показано) приводного двигателя 30, который может быть заменен электромагнитным приводом (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 соответствующим цилиндрическим поверхностям 4 и 11 задают в интервале 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 ), а наклон лопаток 3 и 10 относительно продольной оси движителя составляет 9020 (фиг. 9 и 10). Высотулопаток 3 водоводной трубы 2 и высотулопаток 10 гребного винта 9 выполняют исходя из соотношений ряда 11, или 12, или 13 и т.д., и определяется конструктивными особенностями движителя. Оптимальный радиальный зазор между лопатками 3 водоводной трубы 2 и лопатками 10 гребного 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 выполняют на длине не более 3/4 от основания 21 лопаток (фиг. 11). Внутреннюю сторону 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 свободным концом устанавливают в полости 16 приводного вала 14 водовозной трубы 2, закрепляют в подшипниках (на фигурах не показано), а вал 14 водоводной трубы 2 монтируют в посадочном кольце 7 узла крепления 6. Собранный движитель 1 подсоединяют 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 обеспечивает возможность одновременного вращения водоводной трубы 2 и гребного винта 9 навстречу друг другу с частотой из ряда 11, или 12, или 21 и т.д. 5 105922015.02.28 Принцип работы гидрореактивного движителя. Лопатки 3 и 10 водоводной трубы и гребного винта соответственно при вращении навстречу друг другу захватывают воду и образуют в полости водоводной трубы 2 зоны высокого 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 вертикальными 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 соответственно, 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 ходилопаток гребного винта 9 и водоводной трубы 2 соответственно в проекции на цилиндрический корпус водоводной трубы уменьшается в два раза, а совместно они проходят длину 1, равную длинелюбой из лопаток гребного винтаи водоводной трубысоответственно (фиг. 14, 15). При одновременном вращении навстречу друг другу лопаток 10 и 3 соответственно гребного винта 9 и водоводной трубы 2 количество воды, выбрасываемой движителем 1, увеличивается в два раза и составляет шесть объемов. В зависимости от выбранных соотношений частот вращения лопаток 10 и 3 навстречу друг другу из ряда 11, или 12, или 21 и т.д. погрешность в оценке объема выбрасываемой 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 обеспечивает скорость выброса воды не менее 30 м/с, при этом скорость движения плавсредства 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 м 3 (90 т), при этом скорость выброса воды составляет 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 непосредственно в корпус судна 20 (фиг. 17 и 18) с забором воды извне. В отличие от прототипа 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 устанавливать в корпусе судна (фиг. 17 и 18). При использовании гидрореактивных движителей 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 вращение двигателем внутреннего сгорания, а водоводную трубу 2 вращать, например, с использованием электромагнитных приводов, аналогичных приводам транспортных средств на магнитной подушке, таких как магнитопланов, или маглевов, или иных известных приводов. Техническое решение соответствует требованиям промышленная применимость и новизна, что следует из приведенного выше описания полезной модели и уровня техники. 6 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9