моторное судно

Формула изобретения

Моторное судно, содержащее корпус, жилое помещение, рулевую рубку, моторное отделение с установленной в нем энергетической установкой, вал которой через редуктор соединен с гребным винтом, отличающееся тем, что энергетическая установка выполнена в форме гидрогазодинамического двигателя, представляющего собой гидродвигатель кулисно-кулачкового типа, реакторы, входные патрубки которых через запорные краны и впускные клапаны соединены с расходным баком, соединенным с баком для хранения рабочего тела, причем выходные патрубки упомянутых реакторов соединены через запорные краны и распределительный кран с входной полостью гидродвигателя, выходная полость которого связана с винтовой полостью циклона, выходной патрубок которого соединен с расходным баком, а его внутренняя полость через выхлопную трубу соединена с атмосферой, причем внутри реакторов размещены в несколько рядов газовые генераторы, каждый из которых представляет собой автоматически открываемый и закрываемый контейнер, внутри которого размещены активные элементы, выполненные из металла или сплава, относящегося к цериевой и иттриевой группам семейства лантонойдов, кроме того, подвижные элементы газовых генераторов через механизмы привода кинематически связаны с гидравлической системой управления двигателем, рабочим телом которого является дистилированная вода.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к судостроению и касается конструирования морских и речных судов.

Известна мотолодка "Хайди", содержащая корпус с округлыми обводами, открытый кокпит, подвесной мотор. Длина 3,2 м, ширина 1,55 м, высота борта 0,45 м, допустимая мощность двигателя 12 л.с., вместимость 3 чел. (X. Баадер, Разъездные, туристские и спортивные катера, Л.: Судостроение, 1976, с. 89-90).

Недостатками известной мотолодки "Хайди" являются: малая автономность плавания, небольшие запасы топлива и его большой расход.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией мотолодки.

Известен также морской катер "Кариока", содержащий корпус с остроскулыми обводами, кокпит, носовую каюту, бензиновый двигатель, пост управления. Длина 8,75 м, ширина 3,05 м, осадка 0,78 м, высота борта 1,46 м, водоизмещение 4 м³, мощность двигателя 140 л.с., максимальная скорость 34 км/ч, расход топлива при 3/4 максимальной скорости 21 л/ч (там же, с. 129-130).

Известный катер "Кариока", как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип.

Недостатками известного катера "Кариока", принятого за прототип, являются малая автономность плавания, большой расход топлива, загрязнение окружающей среды выхлопными газами.

Указанные недостатки обусловлены небольшими размерениями катера, использованием бензинового двигателя, недостаточным запасом топлива на борту.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных качеств моторного судна.

Указанная цель, согласно изобретению обеспечивается тем, что бензиновый двигатель заменен редуктором заднего хода, гидрогазодинамическим двигателем, содержащим гидродвигатель кулисно-кулачкового типа, два реактора, входные патрубки которых через запорные краны и впускные клапаны соединены с расходным баком, соединенным с баком для хранения рабочего тела, причем выходные патрубки упомянутых реакторов соединены через запорные краны и распределительный кран, приводимый в движение от вала гидродвигателя, с входной полостью гидродвигателя, выходная полость которого соединена с винтовой полостью циклона, выходной патрубок которого связан с расходным баком, а внутренняя полость через выхлопную трубу соединена с атмосферой, причем внутри реакторов размещены в несколько рядов газовые генераторы, одинаковые по конструкции, каждый из которых представляет собой автоматически открываемый и закрываемый контейнер, внутри которого установлены активные элементы, представляющие собой вставки, выполненные из металла или сплава, относящегося к цериевой и иттриевой группам семейства лантонойдов, кроме того, подвижные элементы газовых генераторов через механизм привода, расположенный в верхней части реактора, кинематически связаны с гидравлической системой управления двигателем, включающей в себя гидроцилиндр, кран управления, масляные насосы, масляный бак, а также регулятор частоты вращения вала двигателя, рабочим телом которого является дистиллированная вода.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид моторного судна; на фиг. 2 - схема силовой установки; на фиг. 3 - общий вид гидрогазодинамического двигателя; на фиг. 4 - вид сверху на гидрогазодинамический двигатель; на фиг. 5 - схема гидрогазодинамического двигателя; на фиг. 6 - устройство реактора; на фиг. 7 - устройство газового генератора; на фиг. 8 - разрез А-А на фиг 7; на фиг. 9 - расположение деталей газового генератора при минимальном режиме работы; на фиг. 10 - расположение деталей газового генератора в выключенном положении; на фиг. 11 - - общий вид механизма управления газовыми генераторами; на фиг. 12 - вид сбоку на механизм управления газовыми генераторами; на фиг. 13 - устройство запорного крана; на фиг. 14 - устройство редуктора заднего хода при снятой верхней крышке; на фиг. 15 - устройство циклона; на фиг. 16 - схема привода генератора электрического тока; на фиг. 17 - схема привода распределительного крана; на фиг. 18 - гидравлическая система управления двигателем; на фиг. 19 - устройство фиксатора минимальных оборотов; на фиг. 20 - схема регулятора частоты вращения вала двигателя.

Предлагаемое моторное судно содержит корпус 1, в котором размещены кокпит 2, судоводительское отделение 3, жилые каюты 4, грузовые трюмы и моторное отделение, в котором размещен гидрогазодинамический двигатель 5, соединенный посредством соединительных муфт 6, 7 и редуктора заднего хода 8 с гребным винтом 9. Сверху на выхлопной трубе установлена пламепрерывающая сетка 10. Гидрогазодинамический двигатель содержит корпус 11 цилиндрического типа, внутри которого установлен кулисно-кулачковый гидродвигатель, содержащий корпус 12, закрытый передней 13 и задней 14 крышками, внутри которого размещен ротор 15, закрепленный на валу 16, пропущенному через отверстия в передней и задней крышках.

В роторе выполнены три радиальных паза 17, в которые вставлены лопасти 18, каждая из которых имеет ролик 19, входящий в криволинейный профилированный паз 20, выполненный на задней крышке гидродвигателя. Гидродвигатель имеет впускную 21 и выпускную 22 полости. На переднем конце вала установлен маховик 23, имеющий зубчатый венец, входящий в зацепление с шестерней 24 привода генератора электрического тока 25. На заднем конце вала закреплена шестерня 26, входящая в зацепление с ведомой шестерней 27, установленной на нижнем конце вертикального вала 28, на верхнем конце которого закреплен эксцентрик 29, взаимодействующий с рамкой 30, соединенной с золотником 31, имеющим перепускное отверстие 32 и вставленным в корпус 33 гидравлического распределительного крана.

Расходный бак 34 соединен гидравлически через впускные клапаны 35, 36 и запорные краны 37, 38 с двумя реакторами 39, 40, одинаковыми по конструкции, количество которых может быть более двух. Каждый из них содержит корпус 41, разделенный перегородкой 42 на нижнюю и верхнюю части, и сверху закрыт крышкой 43. Нижняя половина корпуса имеет входной 44 и выходной 45 патрубки. Внутри нее установлены в несколько рядов газовые генераторы 46, одинаковые по конструкции. Каждый из них содержит -образный стержень 47, привернутый к корпусу реактора болтами 48 и имеющий боковые продольные пазы, в которые запрессованы активные элементы 49, выполненные из металла или сплава, относящегося к цериевой и иттриевой группам семейства лантонойдов.

Сверху на стержень надет стакан 50, имеющий сквозные боковые продольные пазы 51 и выполненный заодно с валом 52, на верхнем конце которого закреплена шестерня 53. Вал имеет сальник 54 и поджимную гайку 55. Оба механизма управления газовыми генераторами одинаковы по конструкции и размещены в верхних частях корпусов реакторов, каждый из которых содержит зубчатые рейки 56, 57, 58, установленные в направляющих 59 и входящие в зацепление с шестернями газовых генераторов и шестернями 60, 61, 62, закрепленными на поперечном валу 63, установленном в подшипниках 64 и соединенном с рычагом 65.

Оба реактора через запорные краны 66, 67, распределительный кран и управляемый золотник 68 посредством трубопроводов соединены с входной полостью гидродвигателя, выходная полость которого соединена с циклоном 69, содержащим корпус 70, имеющий входной 71 и выходной 72 патрубки, внутри которого закреплена выхлопная труба 73, имеющая спиральные ребра 74. На конце выхлопной трубы установлена пламепрерывающая сетка. Выходной патрубок циклона посредством трубопровода соединен с расходным баком. Реакторы имеют манометры 75 и предохранительные клапаны 76, полости которых посредством трубопроводов соединены с входным патрубком циклона. Один из реакторов через вспомогательный кран 77 соединен с впускной полостью гидродвигателя. Всасывающий клапан 78 соединяет впускную полость гидродвигателя с расходным баком, который через запорный кран 79 трубопроводом соединен с баком 80 для хранения воды.

Внутренние полости нижних частей реакторов, расходный бак, бак для хранения воды и соединяющие их трубопроводы заполнены дистиллированной водой, которая является рабочим телом гидрогазодинамического двигателя. Гидравлическая система управления гидрогазодинамическим двигателем содержит гидроцилиндр 81, внутрь которого вставлен поршень 82, делящий внутреннее пространство на две полости 83 и 84. Поршень соединен со штоком 85, который связан шарнирно с рычагами управления газовыми генераторами обоих реакторов.

Гидравлический кран управления состоит из корпуса 86, внутрь которого вставлен золотник 87, имеющий перепускные отверстия 88, 89, нагруженный пружиной 90 и соединенный с рычагом управления 91. Гидравлический кран управления и гидроцилиндр посредством трубопроводов соединены с масляным баком 92 и масляными насосами 93, 94, имеющими редукционные клапаны 95, 96 и приводимыми в движение электродвигателем, не показанным на чертеже, питаемым от аккумуляторной батареи. Оба реактора имеют фиксаторы минимальных оборотов, каждый из которых содержит стержень 97, входящий своим верхним концом в полукруглый паз 98, сделанный в головке рычага управления газовыми генераторами.

Стержень вставлен в отверстие, выполненное в бобышке реактора, нагружен пружиной 99 и в нижней части оканчивается гайкой с кольцом 100. К кольцу прикреплен тросик, не показанный на чертеже и выведенный на пульт управления. Регулятор частоты вращения вала двигателя содержит горизонтальный вал 101, установленный в подшипнике, на одном конце которого закреплена шестерня 102, входящая в зацепление с шестерней привода распределительного крана, а на другом конце установлена вилка 103, на концах которой размещены грузики 104, контактирующие своими выступами с диском 105, закрепленным на конце прямоугольного стержня 106, установленного в направляющих и имеющего сверху рычаг 107, соединенный тягой 108 с рычагом управляемого золотника, а снизу кронштейн 109 с чашкой 110, в которую вставлен один конец пружины 111, второй конец которой вставлен в чашку 112, закрепленную на штоке гидроцилиндра системы управления гидрогазодинамическим двигателем. Все запорные краны одинаковы и содержат корпус 113, внутрь которого вставлен золотник 114 с отверстием 115, соединенный с ручкой 116.

Редуктор заднего хода предназначен для соединения гидрогазодинамического двигателя с гребным винтом при вращении последнего в прямом и обратном направлениях, а также для отключения гребного винта от работающего гидрогазодинамического двигателя на стоянках. Он содержит корпус 117, в подшипнике 118 которого установлен ведущий вал 119, на котором закреплены цилиндрическая шестерня 120, входящая в зацепление с ведомой шестерней 121, закрепленной на одном конце промежуточного вала 122, установленного в подшипниках 123, 124, на другом конце которого закреплена вторая цилиндрическая шестерня 125, и коническая шестерня 126, входящая в зацепление с промежуточной конической шестерней 127, закрепленной на валу, установленном в подшипнике 128.

Ведомый вал 129, установленный в подшипнике 130, передний конец которого вставлен в торец ведущего вала, имеет шлиц, по которому может перемещаться каретка, имеющая ведомую коническую шестерню 131 и ведомую цилиндрическую шестерню 132. Каретка выполнена заодно с колесом 133, имеющим желоб, в который входит вилка с рычагом 134, закрепленным шарнирно на корпусе. Корпус закрыт крышкой, не показанной на чертеже.

Моторное судно работает следующим образом.

После подготовки судна к отплытию производится запуск гидрогазодинамического двигателя 5, работа которого основана на использовании способности металлов цериевой и иттриевой групп семейства лантонойдов при соприкосновении с водой разлагать ее на водород и кислород при обычных условиях /О свойствах этих элементов см. А.И. Бусев, И.П. Ефимов, Словарь химических терминов, пособие для учащихся, М.: Просвещение, 1971, с. 91-92/. Поворотом ручек 116 открываются запорные краны 37, 38, через которые, а также впускные клапаны 35, 36 внутренние полости реакторов 39, 40 заполняются водой. Включается электродвигатель привода масляных насосов 93, 94, не показанный на чертеже. При этом масло из масляного бака 92 подается в полости 83, 84 гидроцилиндpa 81. Так как давление в обеих полостях одинаково, то поршень 82 будет неподвижен и располагается в средней части. Далее необходимо передвинуть влево ручку 91 управления двигателем (фиг. 18).

Золотник 87 гидравлического крана управления передвинется в ту же сторону и перепускное отверстие 88 соединит полость 84 гидроцилиндра 82 с масляным баком 92. В результате давление в этой полости уменьшится, а в полости 83 останется прежним и поршень 82 станет перемещаться вправо и повернет по часовой стрелке рычаги 65 реакторов 59,40 и сожмет немного пружину 111 регулятора частоты вращения вала двигателя. При этом вместе с рычагами 65 повернутся поперечные валы 63 с шестернями 60, 61, 62, которые передвинут зубчатые рейки 56, 57, 58 и повернут шестерни 53 газовых генераторов 46. Вместе с последними повернутся стаканы 40 и сквозные пазы 51 частично откроют активные элементы 49, как показано на фиг. 9.

Под действием пружин 99 стержни 97 фиксаторов минимальных оборотов войдут в полукруглые пазы 98 (фиг. 19) и будут препятствовать полному отключению газовых генераторов 46 реакторов 39, 40, обеспечивая минимальное соприкосновение активных элементов 49 с водой. При соприкосновении активных элементов 49 с водой начинается ее разложение на водород и кислород с образованием молекул H₂ и O₂. Образовавшиеся газы накапливаются в нижних частях реакторов 39, 40 и повышают в них давление, которое может контролироваться по манометрам 75. Как только давление газов в реакторах 39, 40 достигнет необходимой величины, открытием запорных кранов 66, 67 включается гидродвигатель 12. В этом случае попеременно через перепускное отверстие 32 золотника 31 распределительного крана 33 нижняя часть каждого из реакторов подключается к впускной полости 21 гидродвигателя.

Газоводяная смесь под давлением выбрасывается во впускную полость гидродвигателя, производит давление на лопасти 18, заставляя вращаться вал 16, а вместе с ним и маховик 23, который своим зубчатым венцом приводит во вращение ведомую шестерню 24 привода генератора электрического тока 25, а ведущая шестерня 26 приводит в движение ведомую шестерню 27 и вместе с ней вертикальный вал 28 и эксцентрик 29, который через рамку 30 перемещает золотник 31 распределительного крана 33 попеременно в ту и другую сторону.

Для получения необходимого давления в реакторах и наиболее полного его использования в гидродвигателе передаточное отношение ведущей шестерни 26 и ведомой шестерни 27 взято 2:1. Совершив работу по перемещению лопастей 18 и повороту вала 16, газоводяная смесь поступает в выпускную полость 22 гидродвигателя, а затем в циклон 69, где проходит через винтовой желоб и приобретает вращательное движение. Под действием центробежной силы вода отбрасывается на стенки циклона и стекает вниз, затем по трубопроводу возвращается в расходный бак 34, а водород и кислород через выхлопную трубу 73 и пламепрерывающую сетку 10 выходят в атмосферу.

Как только произведен выброс газоводяной смеси из того или иного реактора, открывается один из впускных клапанов 35, 36 и новая порция воды из расходного бака 34 поступает в соответствующий реактор и все повторяется снова. Если давление в реакторах превысит максимально допустимую величину, то часть газоводяной смеси выбрасывается через предохранительные клапаны 76 и поступает в циклон 69. Если после открытия запорных кранов 66, 67 вал 16 гидродвигателя не вращается вследствие того, что перепускное отверстие 32 золотника 31 находится в среднем положении и не может соединить впускную полость 21 гидродвигателя ни с одним из реакторов, необходимо открыть на короткое время, а затем снова закрыть вспомогательный кран 77. Газоводяная смесь поступит во впускную полость 21 гидродвигателя, минуя распределительный кран 33, и повернет вал 16 гидродвигателя, выводя золотник 31 из мертвой зоны.

Как только гидрогазодинамический двигатель стал устойчиво работать на малых оборотах, перемещается рычаг 134 редуктора заднего хода 8. Каретка передвигается вправо и цилиндрическая шестерня 132 входит в зацепление с цилиндрической шестерней 125 промежуточного вала 122. Гребной винт 9 начинает вращаться с минимальными оборотами, обеспечивая малый ход судна вперед. Вращающийся момент при этом от гидрогазодинамического двигателя 5 через соединительную муфту 6 передается на ведущий вал 119 редуктора 8 далее через цилиндрические шестерни 120, 121, промежуточный вал 122, цилиндрические шестерни 125, 132, ведомый вал 129, соединительную муфту 7 на гребной винт 9.

Для увеличения мощности и частоты вращения гребного винта 9, а следовательно, скорости движения судна необходимо снова передвинуть ручку 91 влево и, как было описано выше, поршень 82 гидроцилиндра 81 сместится вправо и передвинет в ту же сторону шток 85, который повернет рычаги 65 на больший угол и вместе с ними валы 63 с шестернями 60, 61, 62 передвинут еще дальше зубчатые рейки 56, 57, 58, которые повернут стаканы 50 на больший угол, открывая еще больший доступ воды к активным элементам 49, вплоть до максимального их открытия (фиг. 8).

Это ведет к увеличению процесса расположения воды, возрастанию количества выделяемых водорода и кислорода и увеличению давления внутри реакторов 39, 40. Давление газоводяной смеси, поступающей во впускную полость 21 гидродвигателя, увеличится и вал 16 станет вращаться быстрее с увеличенной мощностью. Во время движения, а также при подходе к месту назначения для уменьшения частоты вращения вала 16 двигателя и скорости движения судна необходимо ручку 91 передвинуть вправо. При этом перепускное отверстие 89 золотника 87 распределительного крана 86 соединит полость 83 гидроцилиндра 81 с масляным баком 92. Давление в этой полости уменьшится, а у другой полости давление останется прежним. Поршень 81 станет смещаться влево и передвинет в ту же сторону шток 85 и повернет рычаги 65 и с ними поперечные валы 63 с шестернями 60, 61, 62. Зубчатые рейки 56, 57, 58 передвинутся в противоположную сторону и через шестерни 53 повернут стаканы 50 в обратную сторону, уменьшив поверхность активных элементов 49, соприкасающихся с водой и, тем самым, количество вырабатываемых водорода и кислорода. Это уменьшит давление в реакторах 39, 40 и приведет к уменьшению частоты вращения вала 16 гидродвигателя. Перемещение штока 85 в этом направлении ограничено стержнями 97 фиксаторов минимальных оборотов, которые не позволят полностью изолировать активные элементы 49 от воды (фиг. 9).

Резкое уменьшение подачи газоводяной смеси во впускную полость 21 гидродвигателя вызовет в ней разрежение из-за того, что маховик 23 не успеет снизить частоту вращения. В этом случае откроется всасывающий клапан 78 и часть воды из расходного бака 34 поступит во впускную полость гидродвигателя. По мере уменьшения воды в расходном баке 34 ее количество пополняется при открытии запорного крана 79 из бака 80. При работе реакторов реакция разложения воды необратима и соединения вновь водорода с кислородом не происходит. Во-первых, водород и кислород из атомарных газов сразу же превращаются в молекулярные, во-вторых, для их соединения необходима высокая температура, еще лучше пламя. Разложение же воды происходит при комнатной температуре.

Для защиты двигателя от наружного пламени на выхлопной трубе 73 циклона 69 установлена пламепрерывающая сетка 10. В процессе работы двигателя частота вращения вала 16 определяется местом расположения поршня 82 в гидроцилиндре 81. В зависимости от того, насколько продвинут вправо шток 85, изменяется сила действия пружины 111 регулятора частоты вращения вала двигателя. При передаче вращения от шестерни 27 на шестерню 102 вместе с ней вращается вал 101 с вилкой 103 и грузиками 104. При увеличении частоты вращения вала двигателя по какой-либо причине сверх того, что определяется положением поршня гидроцилиндра и соответственно силой пружины 111, увеличивается центробежная сила.

Под действием увеличившейся центробежной силы грузики 104 движутся влево, удаляясь от центра вращения, и своими выступами нажимают на диск 105, передвигая влево стержень 106 и вместе с ним рычаг 107, который через тягу 108 поворачивает управляемый золотник 68, уменьшая проходное сечение и количество газоводяной смеси, подаваемой во впускную полость 21 гидродвигателя. При уменьшении частоты вращения вала 16 гидродвигателя ниже той, что установлена силой действия пружины 111 и положением поршня 82 в гидроцилиндре 81, уменьшается центробежная сила. Грузики 104 под действием пружины 111, действующей через стержень 106 и диск 105, перемещаются вправо ближе к центру вращения. Рычаг 107 через тягу 108 поворачивает управляемый золотник 68, увеличивая проходное сечение и количество газоводяной смеси, подаваемой во впускную полость 21 гидродвигателя. Частота вращения вала 16 гидродвигателя возрастает до необходимой величины.

Для торможения судна при его движении вперед и обеспечения движения его задним ходом необходимо уменьшить частоту вращения вала 16 гидродвигателя и посредством рычага 134 вывести цилиндрическую шестерню 132 каретки из зацепления с цилиндрической шестерней 125 промежуточного вала 122. Подождать пока остановится гребной винт 9, а затем передвинуть каретку влево до зацепления конической шестерни 131 с промежуточной конической шестерней 127. Вращающийся момент в данном случае будет передаваться от гидрогазодинамического двигателя 5 через соединительную муфту 6, ведущий вал 119 редуктора 8, конические шестерни 126, 127, 131, ведомый вал 129, соединительную муфту 7 на гребной винт 9, который станет вращаться в противоположную сторону, обеспечивая либо торможение, либо движение судна задним ходом.

После остановки судна у причала необходимо остановить гидрогазодинамический двигатель. Для этого необходимо уменьшить частоту вращения вала 16. Ручка управления 91 поворачивается вправо и в ту же сторону передвигается золотник 87. Перепускное отверстие 89 соединяет полость 83 гидроцилиндра 81 с масляным баком 92. Давление масла в этой полости уменьшается и поршень 82 передвигается влево и шток 85 поворачивает рычаги 65. Стаканы 50 газовых генераторов 46 поворачиваются и закрывают поверхности активных элементов 49, как показано на фиг. 10. Рычаги 65 упираются в стержни 97 фиксаторов минимальных оборотов. Посредством тросиков, не показанных на чертеже, с пульта управления стержни 97 выводятся из пазов 98, сжимая пружины 99. После чего ручка 91 снова поворачивается вправо и полностью изолирует активные элементы 49 от воды, прекращая процесс разложения воды. После этого закрываются запорные краны 37, 38, 66, 67 и выключается электродвигатель привода масляных насосов 93, 94.

Положительный эффект изобретения: для движения судна не требуется органическое топливо, взамен топливных баков может быть взят дополнительный груз, повышается автономность плавания, не загрязняется окружающая среда вредными газами.