подводный аппарат с единым двигателем для надводного и подводного хода

Формула изобретения

Подводный аппарат, содержащий прочный корпус, легкий корпус, цистерны главного балласта, дифферентовочные цистерны, рубку, силовую установку, соединенную с гребным винтом, механизмы управления, отличающийся тем, что легкий корпус аппарата и легкий корпус рубки выполнены в форме параллелепипедов, заостренных спереди и сзади, в передней части каждого из которых установлены волнистые горизонтальные ребра, образующие волновые каналы, открытые спереди и сзади, а силовая установка выполнена в форме газотурбоионного двигателя, содержащего несколько газовых турбин, изолированных друг от друга и установленных на общем валу, один конец которого через центробежную муфту соединен с пусковым электродвигателем, а другой связан с ведущим валом понижающего редуктора, причем входной и выходной каналы каждой из газовых турбин соединены между собой трубопроводом, имеющим снаружи штуцер с запорным краном и охладитель, внутри которого установлены ионизатор газа, ускоряющая система и нейтрализатор, причем внутренние полости газовых турбин и трубопроводов заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом, кроме того, питание газотурбоионного двигателя осуществлено от ядерных (изотопных) высоковольтных батарей, подключенных через коммутирующее устройство к ионизаторам газа, ускоряющим системам и нейтрализаторам, а каждая ядерная высоковольтная батарея содержит корпус, внутри которого размещен эмиттер, содержащий соли радиоактивного металла, тот и другой изолированы друг от друга вакуумом или диэлектриком.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области судостроения и может найти применение в качестве подводного аппарата.

Известна французская подводная лодка "Нарвал" с раздельными двигателями для надводного и подводного хода, содержащая прочный корпус, легкий корпус, рубку, цистерны главного балласта, дифферентовочные цистерны, паросиловую установку для надводного хода и привода генератора, электрическую установку для подводного хода, соединенную с гребным винтом, системы жизнеобеспечения. Водоизмещение 117/200 т, длина 34 м, ширина 3,8 м, скорость 10/3 уз, дальность плавания 400/40 миль (Морской энциклопедический словарь. /Под ред. д. т.н. В.В. Дмитриева, т. 2, К-П, СПб, Судостроение, 1993, с. 347-348).

Недостатки известной французской лодки "Нарвал": сложность запуска и остановки паровой установки при погружении и всплытии, небольшая скорость движения и дальность плавания.

Известна также подводная лодка с раздельными двигателями для надводного и подводного хода, содержащая прочный корпус, легкий корпус, рубку, дизельный двигатель для надводного хода, гребной электродвигатель со станцией управления, связанные через редукторы с гребными винтами, носовой и кормовой аккумуляторные отсеки, в которых размещены аккумуляторные батареи, цистерны главного балласта, дифферентовочные цистерны, системы сжатого воздуха среднего и высокого давления, системы жизнеобеспечения (С.Н. Прасолов, М.Б. Амитин. Устройство подводных лодок. - М.: Воениздат, 1973, с. 31).

Известная дизельная подводная лодка как наиболее близкая по технической сущности и достигаемому полезному результату, принята за прототип.

Недостатками дизельной подводной лодки, принятой за прототип, являются ограниченный запас топлива, невозможность длительного движения под водой, большой вес гребных электродвигателей и аккумуляторных батарей, ограниченная автономность и дальность плавания.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией подводной лодки.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных качеств подводного аппарата.

Указанная цель обеспечивается тем, что в подводном аппарате, содержащем дизельный двигатель, гребные электродвигатели со станциями управления, аккумуляторные батареи, согласно изобретению легкий корпус аппарата и легкий корпус рубки выполненны в форме параллелепипедов, заостренных спереди и сзади, в передней части которых установлены горизонтальные волнистые ребра, образующие волновые каналы, открытые спереди и сзади, а силовая установка выполнена в форме газотурбоионного двигателя, представляющего собой несколько газовых турбин, изолированных друг от друга и размещенных на общем валу, один конец которого через центробежную муфту соединен с пусковым электродвигателем, а другой конец соединен с ведущим валом понижающего редуктора, причем входные и выходные каналы каждой из газовых турбин соединены между собой трубопроводами, каждый из которых имеет снаружи штуцер с запорным краном и охладитель, а внутри каждого из которых размещены ионизатор газа, ускоряющая система и нейтрализатор, кроме того, внутренние полости газовых турбин и трубопроводов заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом, ядерными высоковольтными батареями, которые через коммутирующее устройство электрически соединены с ионизаторами газа, ускоряющими системами, нейтрализаторами газовых турбин, причем все ядерные высоковольтные батареи одинаковы по конструкции и каждая из них содержит корпус, внутрь которого вставлен эмиттер, содержащий соли радиоактивного металла и отделенный от корпуса вакуумом или диэлектриком, кроме того, все ядерные высоковольтные батареи разбиты на несколько групп и в каждой группе соединены последовательно, а между группами параллельно.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид подводного аппарата, на фигуре 2 - вид сверху на подводный аппарат, на фигуре 3 - устройство подводного аппарата в разрезе, на фигуре 4 - устройство редуктора заднего хода, на фигуре 5 - устройство носовой части легкого корпуса подводного аппарата, на фигуре 6 - устройство носовой части легкого корпуса рубки, на фигуре 7 - схема образования волновых каналов в носовых частях корпуса и рубки, на фигуре 8 - устройство гидромуфты, на фигуре 9 - устройство клапанов гидромуфты, на фигуре 10 - схема дополнительных сил, действующих на корпус подводного аппарата при движении передним ходом, на фигуре 11 - блок-схема силовой установки для надводного и подводного хода, на фигуре 12 - общий вид газотурбоионного двигателя, на фигуре 13 - вид слева на газотурбоионный двигатель, на фигуре 14 - вид справа на газотурбоионный двигатель, на фигуре 15 - вид на газотурбоионный двигатель в разрезе, на фигуре 16 - схема газотурбоионного двигателя, на фигуре 17 - электрическая схема газотурбоионного двигателя, на фигуре 18 - схема понижающего редуктора газотурбоионного двигателя, на фигуре 19 - устройство центробежной муфты газотурбоионного двигателя, на фигуре 20 - устройство ядерной высоковольтной батареи.

Подводный аппарат с единым двигателем для надводного и подводного хода содержит легкий корпус 1 в форме параллелепипеда, заостренного спереди и сзади, в передней части которого закреплены волнистые горизонтальные ребра 2, образующие волновые каналы 3. Неполные волновые каналы заполнены фигурными вкладышами 4. В верхней части к легкому корпусу приварен легкий корпус рубки 5, выполненный в форме параллелепипида, заостренного спереди и сзади, в передней части которого закреплены волнистые горизонтальные ребра 6, образующие волновые каналы 7. Неполные волновые каналы заполнены фигурными вкладышами 8. И те, и другие волновые каналы образованы окружностями радиуса R, расположенными по обе стороны от прямой линии к каждой из них, являющейся касательной. Ширина волнового канала l равна радиусу окружности. Точки 9 и 10 соединяют прямую и волнистую линии. Снаружи легкого корпуса подводного аппарата установлены убирающиеся передние 11 и задние 12 горизонтальные рули, а также руль направления 13.

Внутри легкого корпуса размещен прочный корпус 14 цилиндрической формы с входным люком 15, разделенный на пассажирское 16 и моторное 17 отделения. Внутри пассажирского отделения размещены пульт управления 18, перископ 19 для подводного и надводного наблюдения, кресла 20. Под полом прочного корпуса размещено высоковольтное отделение 21, в котором установлен высоковольтный источник тока 22, представляющий собой ядерные высоковольтные батареи, разделенные на три группы: к первой группе относятся ядерные высоковольтные батареи 23, 24, 25, 26, 27, ко второй группе относятся ядерные высоковольтные батареи 28, 29, 30, 31, 32 и к третьей группе относятся ядерные высоковольтные батареи 33, 34, 35, 36, 37. В каждой группе ядерные высоковольтные батареи соединены между собой последовательно, а между группами - параллельно. В моторном отделении прочного корпуса размещен газотурбоионный двигатель 38, который посредством гидромуфты 39, редуктора заднего хода 40 и дейдвудного вала 41 соединен с гребным винтом 42. Внутри легкого корпуса установлены цистерны главного балласта 43, 44, дифферентовочные цистерны 45, 46, аккумуляторы 47. Внутри легкого корпуса рубки размещены входная шахта прочного корпуса 48 с входным люком 49, баллоны сжатого воздуха высокого давления 50, баллоны сжатого кислорода 51 и баллоны сжатого водорода 52. Газотурбоионный двигатель содержит корпуса 53, 54, 55, закрытые крышками 56, 57, 58, соединенные болтами между собой, внутри которых установлены газовые турбины 59, 60, 61, закрепленные на общем валу 62. К крайним корпусам прикреплены корпус 63 центробежной муфты, связанной с пусковым электродвигателем 64, и корпус 65 понижающего редуктора.

Центробежная муфта содержит ведущий вал 66, соединенный с валом пускового электродвигателя, на котором закреплена вилка 67, на концах которой с возможностью продольного перемещения установлены грузики 68, 69 с колодками 70, 71. На общем валу установлен диск 72 с фрикционной накладкой. Грузики удерживаются пружиной 73. Понижающий редуктор содержит две ведущие шестерни 74, 75, одна из которых через шестерню 76 приводит в движение генератор электрического тока 77, закрепленный на корпусе понижающего редуктора, а другая ведущая шестерня входит в зацепление с большой шестерней 78 каретки, закрепленной на водиле 79, установленном на валу 80 газотурбоионного двигателя. Малая шестерня 81 каретки входит в зацепление с неподвижной шестерней 82, закрепленной на корпусе понижающего редуктора. Впускной и выпускной каналы каждой из газовых турбин соединены между собой трубопроводами 83, 84, 85, снаружи которых установлены охладители 86, 87, 88 и штуцера с запорными кранами 89, которые соединены с баллонами сжатого водорода.

Внутри каждого из трубопроводов размещены ионизатор газа, ускоряющая система и нейтрализатор. Ионизатор газа содержит цилиндр 90, внутрь которого вставлен источник электронов 91 в форме стержня, соединенного с ускоряющей сеткой 92, подключенные к высоковольтному источнику тока. Там же установлены замедляющая сетка 93 и нейтрализатор 94 в форме сетки, также подключенные к высоковольтному источнику тока. Внутренние поверхности трубопроводов и лопасти газовых турбин покрыты изоляционным материалом, а снаружи на ионизаторе газа установлен соленоид 95. Все соленоиды соединены между собой последовательно и подключены к источнику тока. Внутренние полости трубопроводов и газовых турбин заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом газотурбоионного двигателя.

Высоковольтный источник тока представляет собой ядерные (изотопные) высоковольтные батареи, одинаковые по конструкции, каждая из которых содержит корпус 96, внутрь которого вставлен эмиттер 97, являющийся носителем или - радиоактивного изотопа, заряжается отрицательно или положительно по отношению к корпусу. Корпус и эмиттер изолированы друг от друга вакуумом или диэлектриком 98. Необходимая величина напряжения ядерной высоковольтной батареи обеспечивается процентным содержанием радиоизотопа в эмиттере и может находится в пределах 25150 мккюри. Ядерные батареи безопасны, имеют небольшие размеры и срок службы 15-25 лет. Напряжение ядерной батареи в зависимости от изолятора может быть от 8000 до 360000 вольт (О ядерных источниках тока см. В. Фильштих. Топливные элементы, пер. с нем. - М.: Мир, 1968, с. 339, рис. 72, а также С.Н. Венецкий. О редких и рассеянных. Рассказы с металлах. - М.: Металлургия, 1980, с. 29-30).

Коммутирующее устройство 99 представляет собой три группы включателей: первая группа 100, 101, 102, 103, 104, вторая группа 105, 106, 107, 108, 109, третья группа 110, 111, 112, 113, 114. Каждая группа включателей имеет общий привод. Гидромуфта содержит ведущий вал 115, соединенный с крестовиной 116, которая шарнирно связана с поршнями 117, установленными в цилиндрах 118 корпуса 119, размещенного на ведомом валу. Корпус имеет полости 120, которые посредством трубопроводов 121 и управляемых клапанов 122 соединены с внутренними полостями цилиндров, заполненных маслом. Каждый цилиндр содержит всасывающий пластинчатый клапан 123. Управляемые клапаны кинематически связаны с механизмом включения гидромуфты (не показано). Редуктор заднего хода содержит корпус 124, в подшипнике которого установлен ведущий вал 125, конец которого входит в торец ведомого вала 126, конец которого закреплен в подшипнике корпуса. На ведущем валу закреплена шестерня 127, входящая в зацепление с шестернями 128, 129, закрепленными на промежуточных валах 130, 131, имеющих шестерни 132, 133, поочередно входящие в зацепление с подвижной шестерней 134, установленной на шлицах ведомого вала с возможностью продольного перемещения, имеющей наружные и внутренние зубья и кинематически связанной с механизмом переключения.

Работа подводного аппарата с единым двигателем для подводного и надводного хода.

После проверки работы всех систем подводного аппарата производится запуск газотурбоионного двигателя 38. Для этого необходимо отключить гидромуфту 39 и тем самым гребной винт 42. При этом управляемые клапаны 122 выйдут из своих гнезд и станет возможным свободный пропуск масла из цилиндров 118 в полости 120 и обратно. Включается пусковой электродвигатель 64. Вал пускового электродвигателя станет вращаться и вращать вилку 67 с грузиками 68, 69 центробежной муфты. Под действием центробежной силы грузики станут удаляться от центра вращения, перемещаясь вперед до соприкосновения колодок 70, 71 с диском 72, сжимая пружину 73. Колодки прижмутся к диску и начнут его вращать, а вместе с ним и общий вал 62 с газовыми турбинами 59, 60, 61. Как только последние наберут необходимую скорость посредством включателей первой группы 100, 101, 102, 103, 104, ядерные высоковольтные батареи первой группы 23, 24, 25, 26, 27 подключаются к соленоидам, ионизаторам газа, ускоряющим системам и нейтрализаторам. Водород поступает в ионизаторы газа, где происходит его объемная ударная ионизация. Заряженные положительно цилиндры 90 ионизируют атомы водорода, а источники электронов 91 выделяют электроны, которые, двигаясь в сторону цилиндров 90, ионизируют встречающиеся на их пути атомы водорода.

Ионы водорода, достигшие источников электронов 91 выбивают из последних электроны, которые двигаются в сторону цилиндров 90, ионизируя встречающиеся атомы водорода (О ионизации водорода см. В.А. Батушев, Электронные приборы, изд. 2. - М.: Высшая школа, 1980, с. 298-299). При пропускании тока через соленоиды 95 происходит перемешивание водорода и его более полная ионизация. Под действием электростатического поля ускоряющей системы ионы водорода выбрасываются из ионизаторов газа через ускоряющие сетки 92 и двигаются в направлении нейтрализаторов 94. Ионы водорода встречают на своем пути лопасти газовых турбин 59, 60, 61, ударяют в них, передавая им часть своей энергии и заставляя газовые турбины вращаться, после чего они двигаются к замедляющим сеткам 93, где происходит их торможение. Достигнув нейтрализаторов 94, ионы водорода приобретают недостающие электроны и превращаются в нейтральные атомы.

Далее водород движется через охладители 86, 87, 88, где отдает им тепло, полученное при ионизации, а затем возвращается в ионизаторы газа и все начинается сначала. Как только газовые турбины 59, 60, 61 наберут достаточную скорость вращения, пусковой электродвигатель 64 отключается. Грузики 68, 69 под действием пружины 73 отодвигаются в противоположную сторону, а колодки 70, 71 отходят от диска 72, отсоединял пусковой электродвигатель 64 от общего вала 62, вращение которого теперь уже поддерживается за счет газовых турбин, взаимодействующих с потоком ионизированного водорода, движущегося под действием электростатических сил. Скорость движения ионов водорода и, следовательно, частота вращения газовых турбин 59, 60, 61 зависит от напряженности электрического поля, которое создается ускоряющими системами. Отсюда изменение частоты вращения газовых турбин и вала 80 газотурбоионного двигателя 38 может осуществляться путем изменения напряжения, подаваемого на ионизаторы газа, ускоряющие системы и нейтрализаторы.

Газотурбоионный двигатель подводного аппарата является трехскоростным. Перевод газотурбоионного двигателя на вторую ступень частоты вращения осуществляется подключением второй группы ядерных высоковольтных батарей 28, 29, 30, 31, 32 посредством включателей 105, 106, 107, 108, 109 коммутирующего устройства 99 параллельно ядерным высоковольтным батареям первой группы. Для перевода газотурбоионного двигателя на третью ступень частоты вращения необходимо к уже подключенным ядерным высоковольтным батареям первой и второй групп подключить посредством включателей 110, 111, 112, 113, 114 ядерные высоковольтные батареи 33, 34, 35, 36, 37 третьей группы.

Для уменьшения частоты вращения вала 80 газотурбоионного двигателя 38 необходимо отключить те или иные группы ядерных высоковольтных батарей. Таким образом, ионизаторы газа, ускоряющие системы и нейтрализаторы будут выполнять роль насосов, заставляющих рабочее тело перемещаться по трубопроводам 83, 84, 85 и приводить во вращение газовые турбины 59, 60, 61. Аналогичное действие по перемещению водорода происходит в ионном ракетном двигателе (см. Машиностроение. Терминологический словарь. /Под общей ред. М.К. Ускова, Э. Ф. Богданова. - М.: Машиностроение, 1995, с. 151, рис. 13И и с. 179, рис. 12К). Часть вращающего момента от газовых турбин 59, 60, 61 через общий вал 62 передается на шестерню 74 и через шестерню 76 на привод генератора электрического тока 77, который питает имеющуюся на борту аппаратуру и заряжает аккумуляторы 47. Другая часть вращающего момента с ведущей шестерни 75 понижающего редуктора поступает на большую шестерню 78 подвижной каретки, а малая шестерня 81 этой же каретки обкатывается по зубьям неподвижной шестерни 82, увлекая за собой водило 79 и вращая вал 80 с меньшей скоростью, подводя к нему более высокую мощность.

В процессе работы газотурбоионного двигателя возможна утечка водорода через неплотности, что может привести к потере мощности. Восполнение потерь рабочего тела осуществляется из баллонов сжатого водорода 52 через штуцеры путем открытия соответствующих запорных кранов 89. Как только газотурбинный двигатель стал устойчиво работать, подвижная шестерня 134 редуктора заднего хода 40 передвигается влево и входит в зацепление с шестерней 132 промежуточного вала 130. Далее включается гидромуфта 39. Управляемые клапаны 122 перекрывают трубопроводы 121 и препятствуют перетеканию масла из цилиндров 118 в полости 120 и обратно. В результате ведущий вал 115 и корпус 119 с ведомым валом оказываются соединенными в одно целое, гребной винт 42 соединен с газогурбоионным двигателем и подводный аппарат начинает движение вперед. При необходимости получения заднего хода отключается гидромуфта 39, шестерня 134 посредством механизма переключения перемещается вправо и выходит из зацепления с шестерней 132, а входит в зацепление с шестерней 133 редуктора заднего хода 40. При этом вращающийся момент передается от ведущей шестерни 127 через шестерню 129, промежуточный вал 131, шестерни 133, 134 на ведомый вал 126 и далее через дейдвудный вал 41 на гребной винт 42. После этого снова включается гидромуфта 39.

После заполнения цистерн главного балласта 43, 44 и выравнивания подводного аппарата с помощью дифферентовочных цистерн 45, 46 последний погружается на необходимую глубину и совершает движение под водой с рулями глубины 11, 12, установленными в рабочее положение. Если бы в передней части легкого корпуса 1 не было бы волнистых ребер 2, то водяной поток, обтекающий переднюю и заднюю части легкого корпуса, создавал бы на нем одинаковые силы Fп = Fз и Fп₁ = Fз₁ потому, что скорости движения водяных потоков спереди и сзади одинаковы и давление воды на легкий корпус спереди и сзади также одинаково. Волнистые ребра 2 изменяют картину обтекания водяным потоком передней части легкого корпуса. Вместо движения по прямой (точки 9 и 10) водяной поток движется по волновым каналам 3, совершая более длинный путь между этими же точками.

Если замерить путь, проходимый водяным потоком по волновым каналам на расстоянии трех волн (фиг.7), то он окажется на 13,8% больше, чем путь между теми же точками по прямой, а если взять путь, проходимый водяным потоком по всей заостренной части корпуса, то он окажется на 60-70% больше. Следовательно, чтобы преодолеть больший путь за то же время водяной поток, движущийся по волновым каналам в передней части легкого корпуса, должен двигаться быстрее, чем движется водяной поток, обтекающий заднюю часть легкого корпуса. Если бы скорости движения водяного потока в передней и задней частях легкого корпуса были бы одинаковы, то в передней части, где кончается заостренная часть, создавался бы разрыв водяного потока или вакуум, так как водяной поток, двигаясь по наибольшему пути, не успевал бы туда подойти, что невозможно. Значит водяной поток по волновым каналам 3 движется быстрее, чем водяной поток, обтекающий заостренную заднюю часть легкого корпуса, где нет волновых каналов. Отсюда согласно закону Бернулли, чем больше скорость движения водяного потока, тем меньше давление окружающей воды на переднюю часть легкого корпуса. Таким образом, во сколько раз скорость движения водяного потока в передней части легкого корпуса больше, чем скорость движения водяного потока в задней части легкого корпуса, во столько раз давление воды на переднюю часть легкого корпуса меньше, чем давление воды на заднюю часть легкого корпуса.

Силы Fп и Fп₁, действующие на переднюю часть легкого корпуса, будутпроецироваться на осевую линию подводного аппарата и создавать равнодействующую силу Fпр. Силы Fз и Fз₁, действующие на заднюю часть легкого корпуса, будут проецироваться на осевую линию подводного аппарата и создавать равнодействующую силу Fзр. Вычитая из большей равнодействующей силы меньшую, получаем силу Fдоп, вектор которой направлен, в сторону движения подводного аппарата (фиг.10). Сила Fдоп будет добавляться к имеющейся силе тяги и увеличивать на некоторую величину скорость движения подводного аппарата. Это же относится и к легкому корпусу рубки 5, в передней части которой водяной поток также будет двигаться по волновым каналам 7 быстрее, чем водяной поток, обтекающий заднюю часть легкого корпуса рубки. Давление воды на переднюю часть легкого корпуса рубки будет меньше, а на заднюю часть больше, что согласно вышеизложенному приведет к дополнительному увеличению скорости движения подводного аппарата. Но при движении подводного аппарата задним ходом сопротивление движению увеличится и скорость подводного аппарата будет меньше, чем она была бы при отсутствии волнистых горизонтальных ребер 2 и 6.

В процессе движения подводного аппарата наблюдение за обстановкой спереди в подводном и надводном положениях осуществляется с помощью перископа 19, а движение в обоих случаях осуществляется с помощью газотурбоионного двигателя 38. По прибытии в назначенное место производится всплытие подводного аппарата. Для этого производится продувка цистерн главного балласта 43, 44 сжатым воздухом высокого давления из баллонов 50 и следование в надводном положении к месту стоянки. После швартовки подводного аппарата производится остановка газотурбоионного двигателя. Отключается гидромуфта 39, механизмом управления редуктора заднего хода подвижная шестерня 134 устанавливается в нейтральное положение. Далее ионизаторы газа, ускоряющие системы, нейтрализаторы и соленоиды отключаются от высоковольтного источника тока 22. Движение водорода в трубопроводах 83, 84, 85 прекращается и газовые турбины 59, 60, 61 останавливаются.

Положительный эффект: не требует органического топлива, создает меньше шума, не загрязняет окружающую среду, не имеет ограничений по дальности плавания, более высокая пожаробезопасность, более высокая скорость движения под водой.