аэродинамическое судно

Формула изобретения

Аэродинамическое судно, содержащее корпус со сквозными вертикальными каналами, размещенными по обоим бортам, движители горизонтального перемещения, кинематически соединенные с маршевым двигателем, размещенным внутри задней части корпуса, движители вертикального подъема, размещенные в сквозных вертикальных каналах корпуса, механически через управляемые дифференциалы с тормозными устройствами связанные с главным двигателем, размещенным в носовой части корпуса, и систему управления аэродинамическим судном в пространстве, гидравлически связанную с тормозными устройствами управляемых дифференциалов, отличающееся тем, что каждый движитель вертикального подъема содержит круглый цилиндрический корпус, вставленный в сквозной вертикальный канал, закрытый сверху и снизу решетками, внутри которого на подшипниках установлен вертикальный вал, на котором закреплены верхнее и нижнее нагнетающие колеса, установленные одно над другим, на некотором расстоянии друг от друга, причем нижнее нагнетающее колесо меньше по диаметру на ширину обода верхнего нагнетающего колеса, каждое из которых содержит втулку, закрепленную на вертикальном валу, которая посредством спиц соединена с ободом, причем спицы выполнены в форме прямоугольных плоскостей, установленных под углом атаки к набегающему потоку воздуха и под углом к горизонтальной плоскости, кроме того, на верхней поверхности обода закреплены воздухозаборники, входные отверстия которых направлены в направлении вращения нагнетающего колеса, а в теле самого обода выполнены вертикальные каналы по числу воздухозаборников, продольная ось каждого из которых параллельна втулке нагнетающего колеса, входное отверстие открывается внутрь полости соответствующего воздухозаборника, а сам вертикальный канал представляет собой сопло Лаваля, выходное отверстие которого направлено вертикально вниз, кроме того, ниже верхнего нагнетающего колеса размещены радиальные лопатки первого спрямляющего аппарата, а ниже нижнего нагнетающего колеса размещены радиальные лопатки второго спрямляющего аппарата, кроме того, нижний конец вертикального вала соединен с ведомым валом бортового редуктора, закрепленного внутри корпуса движителя вертикального подъема на кронштейне, ведущий вал которого соединен с полуосью соответствующего управляемого дифференциала.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области судостроения и может быть использовано в качестве морского или речного транспортного средства.

Известно аэродинамическое судно, содержащее корпус с водительским и пассажирским отделениями, движитель горизонтального перемещения, расположенный в кормовой части судна и кинематически связанный с маршевым двигателем, движители вертикального подъема, кинематически связанные с главным двигателем, выполнены в форме дисков, установленных один над другим, на некотором расстоянии друг от друга и размещены в цилиндрическом корпусе, установленном вертикально, и размещены по обоим бортам. На нижней поверхности каждого диска по концентрическим окружностям выполнены глухие каналы, продольная ось каждого из которых выполнена под углом к вертикальной плоскости, а верхняя поверхность дисков - гладкая. Движители горизонтального перемещения кроме упомянутых дисков имеют дополнительные диски, позволяющие изменять направление тяги /Патент РФ №2149109, кл. В 60 V 1/14, 3/06, опубликован 20.05.2000, Бюл. №14/.

Недостатками известного аэродинамического судна являются сложность конструкции, недостаточная грузоподъемность.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией движителей вертикального подъема.

Известно также аэродинамическое судно, содержащее корпус со сквозными вертикальными каналами, в которых размещены движители вертикального подъема, двигатель, который посредством силовой передачи с управляемыми дифференциалами соединен с движителями вертикального подъема, каждый из которых выполнен в виде винта с двумя парами лопастей, установленных с возможностью вращения в противоположных направлениях и выполненных в форме круглого крыла аэродинамического профиля, причем каждая лопасть снабжена предкрылком, движители горизонтального перемещения в форме воздушных винтов, размещенных в горизонтальных каналах, которые через вариатор, основной и бортовые редукторы соединены с валом того же двигателя, систему устойчивости, состоящую из датчиков продольной и поперечной устойчивости, электрически связанных с усилителями и исполнительными механизмами, взаимодействующими с тормозными устройствами управляемых дифференциалов, механизмы управления /Патент РФ №2163205, кл. В 60 V 1/14, опубл. 20.02.2001, Бюл. №5/.

Аэродинамическое судно по патенту РФ №2165203 как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому полезному результату принято за прототип.

Недостатками известного аэродинамического судна, принятого за прототип, являются недостаточная грузоподъемность судна, большой вес лопастей движителей вертикального подъема, низкий КПД движителей вертикального подъема.

Указанные недостатки обусловлены низким аэродинамическим качеством круглых крыльев вследствие их малого удлинения.

Целью настоящего изобретения является повышение грузоподъемности аэродинамического судна.

Указанная цель согласно изобретения обеспечивается тем, что четыре движителя вертикального подъема, вариатор заменены шестью движителями вертикального подъема, установленными по три на каждый борт, причем левый и правый передние движители вертикального подъема, левый и правый задние движители вертикального подъема через бортовые редукторы соединены с полуосями продольного управляемого дифференциала, а левый и правый задние движители вертикального подъема через бортовые редукторы соединены с полуосями продольного управляемого дифференциала главного редуктора, а левый и правый средние движители вертикального подъема через бортовые редукторы соединены с полуосями поперечного управляемого дифференциала того же редуктора, причем тормозные устройства обоих управляемых дифференциалов связаны посредством гидросистемы с пультом управления, а коробки обоих управляемых дифференциалов кинематически через муфту оцепления соединены с главным двигателем, кроме того, все движители вертикального подъема одинаковы по конструкции и каждый движитель вертикального подъема содержит круглый цилиндрический корпус, вставленный в сквозной вертикальный канал, закрытый сверху и снизу решетками, внутри которого на подшипниках установлен вертикальный вал, на котором закреплены верхнее и нижнее нагнетающие колеса, установленные одно над другим, на некотором расстоянии друг от друга, причем нижнее нагнетающее колесо меньше по диаметру на ширину обода верхнего нагнетающего колеса, каждое из которых содержит втулку, закрепленную на вертикальном валу, которая посредством спиц соединена с ободом, причем спицы выполнены в форме прямоугольных плоскостей, установленных под углом атаки к набегающему потоку воздуха и под углом к горизонтальной плоскости, кроме того, на верхней поверхности обода закреплены воздухозаборники, входные отверстия которых направлены в направлении вращения нагнетающего колеса, а в теле самого обода выполнены вертикальные каналы по числу воздухозаборников, продольная ось каждого из которых параллельна втулке нагнетающего колеса, входное отверстие открывается внутрь полости соответствующего воздухозаборника, а сам вертикальный канал представляет собой сопло Лаваля, выходное отверстие которого направлено вертикально вниз, кроме того, ниже верхнего нагнетающего колеса размещены радиальные лопатки первого спрямляющего аппарата, а ниже нижнего нагнетающего колеса размещены радиальные лопатки второго спрямляющего аппарата, кроме того, нижний конец вертикального вала соединен с ведомым валом бортового редуктора, закрепленного внутри корпуса движителя вертикального подъема на кронштейне, ведущий вал которого соединен с полуосью соответствующего управляемого дифференциала маршевым двигателем, который размещен внутри задней части корпуса судна и кинематически связан с движителями горизонтального перемещения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид аэродинамического судна, на фигуре 2 - вид на аэродинамическое судно спереди, на фигуре 3 - вид на аэродинамическое судно сверху, на фигуре 4 - схема силовой передачи аэродинамического судна, на фигуре 5 - устройство движителя вертикального подъема в разрезе, на фигуре 6 - общий вид нагнетающего колеса движителя вертикального подъема, на фигуре 7 - вид на нагнетающее колесо движителя вертикального подъема сверху, на фигуре 8 - устройство вертикального канала и воздухозаборника обода нагнетающего колеса, на фигуре 9 - устройство спиц и их расположение на втулке нагнетающего колеса, на фигуре 10 - устройство бортового редуктора, на фигуре 11 - схема гидравлической системы управления рулями направления, на фигуре 12 - вид сверху на радиальные лопатки первого спрямляющего аппарата, на фигуре 13 - вид сверху на радиальные лопатки второго спрямляющего аппарата, на фигуре 14 - кинематическая схема соединения движителей вертикального подъема с главным двигателем, на фигуре 15 - гидравлическая система управления аэродинамическим судном в пространстве, на фигуре 16 - схема набора высоты аэродинамическим судном, на фигуре 17 - схема снижения аэродинамического судна, на фигуре 18 - схема создания крена на левый борт аэродинамического судна, на фигуре 19 - схема создания крена на правый борт аэродинамического судна, на фигуре 20 - схема создания подъемной силы на ободе нагнетающего колеса, на фигуре 21 - схема создания подъемной силы на спицах нагнетающего колеса.

Аэродинамическое судно содержит корпус 1 с водительским и пассажирским отделениями. На каждом из бортов в корпусе выполнено по три сквозных вертикальных канала 2, 3, 4, 5, 6, 7, в каждом из которых установлен движитель вертикального подъема. Все движители вертикального подъема 8, 9, 10, 11, 12, 13 одинаковы по конструкции и каждый из них содержит круглый цилиндрический корпус 14, вставленный в сквозной вертикальный канал и закрытый с обеих сторон верхней 15 и нижней 16 решетками. В верхней части закреплен кронштейн 17 с подшипником 18, а в нижней части на кронштейне 19 установлен бортовой редуктор 20. В подшипниках кронштейна и редуктора установлен вертикальный вал 21, который соединен с ведомым валом бортового редуктора. На вертикальном валу закреплены верхнее 22 и нижнее 25 нагнетающие колеса, установленные одно над другим, на некотором расстоянии друг от друга, причем нижнее нагнетающее колесо меньше по диаметру на ширину обода верхнего нагнетающего колеса. Оба нагнетающих колеса одинаковы по конструкции. Каждое нагнетающее колесо содержит втулку 24,закрепленную на вертикальном валу, которая посредством спиц 25 соединена с ободом 26. Спицы выполнены в форме прямоугольных плоскостей, установленных под углом атаки к набегающему потоку воздуха и под углом к горизонтальной плоскости. На верхней поверхности обода закреплены воздухозаборники 27, входные отверстия которых направлены в направлении вращения нагнетательного колеса. В теле самого обода выполнены вертикальные каналы по числу воздухозаборников. Продольная ось каждого вертикального канала 28 параллельна продольной оси втулки нагнетающего колеса, а входное отверстие открывается внутрь полости соответствующего воздухозаборника, Каждый вертикальный канал представляет собой сопло Лаваля, выходное отверстие которого направлено вертикально вниз. /Об устройстве сопла Лаваля, см. Авиация, энциклопедия. Большая Российская энциклопедия. Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е.Жуковского, М., 1994, с.304/.

Ниже верхнего нагнетающего колеса размещены радиальные лопатки 29 спрямляющего аппарата. Ниже нижнего нагнетающего колеса размещены радиальные лопатки 30 спрямляющего аппарата. В носовой части корпуса размещен главный двигатель 31, который механически, посредством муфты сцепления 32, карданного вала 33 соединен с главным редуктором 34, который посредством карданных валов 35 через бортовые редукторы связан с движителями вертикального подъема. Внутри задней части корпуса судна размещен маршевый двигатель 36, который через муфту сцепления 37 кинематически соединен с движителями горизонтального перемещения, каждый из которых представляет собой воздушный винт изменяемого шага. Воздушные винты 38, 39 размещены в кольцевых каналах 40, 41. Главный редуктор содержит ведущий вал 42, на котором закреплены ведущие прямозубая 43 и коническая 44 шестерни. Первая входит в зацепление с шестерней 45 коробки 46 продольного двойного управляемого дифференциала 47, имеющего внутренние сателлиты 48 и наружные сателлиты 49, причем последние входят в зацепление с тормозными шестернями 50 и 51, закрепленными на валах, имеющих тормозные барабаны 52 и 53 с тормозами 54, 55. Внутренние сателлиты входят в зацепление с полуосевыми шестернями 56, 57, закрепленными на полуосях 58, 59, на вторых концах которых закреплены шестерни 60, 61, входящие в зацепление с шестернями 62, 63 и 64, 65, установленными на передних 66, 67 и задних 68, 69 валах главного редуктора.

Передние и задние валы главного редуктора соединены карданными валами через бортовые редукторы с левым и правым передними и левым и правым задними движителями вертикального подъема. Вторая коническая шестерня ведущего вала входит в зацепление с ведомой конической шестерней 70, закрепленной на промежуточном валу 71, на втором конце которого установлена прямозубая шестерня 72, входящая в зацепление с шестерней 73 коробки 74 поперечного двойного управляемого дифференциала 75, имеющего наружные 76 и внутренние 77 сателлиты. Наружные сателлиты входят в зацепление с тормозными шестернями 78, 79, закрепленными на валах, на вторых концах которых установлены тормозные барабаны 80, 81 с тормозами 82, 83. Внутренние сателлиты входят в зацепление с полуосевыми шестернями 84, 85, закрепленными на полуосях 86, 87, которые соединены карданными валами с левым и правым средними движителями вертикального подъема. Бортовые редукторы одинаковы по конструкции и каждый из них содержит корпус 88, выполненный заодно с нижним кронштейном, закрытый крышкой 89. Внутри нижнего кронштейна установлен ведущий вал 90, имеющий на конце ведущую шестерню 91, входящую в зацепление с ведомой шестерней 92, закрепленной на ведомом валу 93, который соединен с вертикальным валом движителя вертикального подъема.

Система управления аэродинамическим судном по курсу содержит левую 94 и правую 95 ножные педали, закрепленные на рычаге, имеющем ось и соединенном с толкателем 96, который взаимодействует с золотниками 97, 98 распределительного крана 99. Система также включает в себя масляный насос 100, масляный бак 101, исполнительные гидроцилиндры 102, 105, штоки которых кинематически связаны с рулями направления 104, 105, установленными в задней части корпуса аэродинамического судна, в потоке воздуха, создаваемого воздушными винтами. Гидравлическая система управления аэродинамическим судном в пространстве содержит пульт управления, выполненный в форме наружной трубы 106 с продольной прорезью, установленной на подшипниках, внутренней трубы 107, вставленной внутрь наружной трубы и соединенной с ручкой управления 108, пропущенной в прорезь наружной трубы. На конце наружной трубы закреплен рычаг 109, взаимодействующий с золотниками 110, 111 распределительного крана 112. На конце внутренней трубы закреплен диск 113, взаимодействующий с золотниками 114, 115 распределительного крана 116. Гидравлическая система также включает в себя масляный насос 117, масляный бак 118, гидроцилиндры продольного управления 119, 120, штоки которых соединены с тормозами продольного двойного управляемого дифференциала, и гидроцилиндры 121, 122 поперечного управления, штоки которых соединены с тормозами поперечного двойного управляемого дифференциала. Все гидроцилиндры, распределительные краны, масляный насос, масляный бак соединены между собой трубопроводами.

Работа аэродинамического судна

Аэродинамическое судно может двигаться двумя способами. Первый способ - движение в водоизмещающем режиме, когда движители вертикального подъема 8, 9, 10, 11, 12, 13 отключены и главный двигатель 31 не работает. В этом случае маршевый двигатель 36 через муфту сцепления 37 и карданные валы, а также редукторы, вращает воздушные винты 38, 39, которые создают тягу и обеспечивают горизонтальное передвижение судна по воде. При движении в водоизмещающем режиме для поворота влево необходимо нажать на левую педаль 94. Толкатель 96 повернется вправо и нажмет на золотник 98 распределительного крана 99, Масло из масляного бака 101 масляным насосом 100 через распределительный кран 99 станет подаваться в полости гидроцилиндров 102, 103. Шток гидроцилиндра 102 выдвинется наружу, а шток гидроцилиндра 103 втянется внутрь и они повернут рули направления 104, 105 влево. В результате чего аэродинамическое судно станет поворачиваться вокруг вертикальной оси влево. Для поворота направо необходимо нажать на правую педаль 95. Толкатель 96 нажмет на золотник 97 и масло из масляного бака 101 масляным насосом 100 через распределительный кран 99 станет подаваться в гидроцилиндры 102, 103. Шток гидроцилиндра 102 втянется внутрь, а шток гидроцилиндра 103 выдвинется наружу. Рули направления 104, 105 будут навернуты вправо и аэродинамическое судно станет поворачиваться вокруг вертикальной оси вправо. Скорость движения судна в водоизмещающем режиме изменяется путем изменения частоты вращения вала маршевого двигателя 36, а торможение или движение назад осуществляется изменением направления тяги путем установки лопастей воздушных винтов 38, 39 в соответствующее положение.

Второй способ движения - это перемещение над поверхностью водоема и уход от нее на значительную высоту до 500 метров. В этом случае запускается главный двигатель 31 и включается муфта сцепления 32. Карданный вал 33 начинает вращаться и вращает ведущий вал 42, а вместе с ним ведущие шестерни 43, 44, первая из которых вращает коробку 46 продольного двойного управляемого дифференциала 47, а вместе с ней и полуоси 58, 59, ведущие шестерни 60, 61, которые приводят во вращение ведомые шестерни 62, 63, 64, 65, передние валы 66, 67, задние валы 68, 69 и далее посредством карданных валов 35 и бортовых редукторов 20 движители вертикального подъема 8, 9, 10, 11, 12, 13, которые создают подъемную силу, уравновешивающую вес аэродинамического судна и поднимающую его над поверхностью водоема. Движители вертикального подъема создают подъемную силу следующим образом. При вращении ведущего вала 90 бортового редуктора 20 вместе с ним вращается ведущая шестерня 91, которая приводит во вращение ведомую шестерню 92, ведомый вал 93, вертикальный вал 21 и нагнетающие колеса 22, 23. Обод 26 вращается вместе с воздухозаборниками 27, которые захватывают воздух и направляют его в вертикальные каналы 28. Там воздух сначала сжимается, а затем, пройдя критическое сечение, расширяется, вырываясь из сопла со сверхзвуковой скоростью и создавая максимальный реактивный момент F, направленный вверх (фиг.20). Так как нагнетающее колесо 22 вращается, то и выходящий с большой скоростью из вертикальных каналов 28 воздух тоже приобретает вращательный момент. Попадая на радиальные лопатки 29 спрямляющего аппарата, воздух, истекающий из вертикальных каналов 28, приобретает прямолинейное движение. Кроме того, добавочная подъемная сила создается также спицами 25 нагнетающих колес 22, 23. При движении спицы 25 навстречу воздушному потоку V происходит отделение части воздушного потока и отбрасывания его вниз с большой скоростью так, как происходит при работе воздушного винта. Отбрасывание воздуха вниз приводит к возникновению дополнительной реактивной силы F₁ (фиг.21). Чтобы не тормозить воздушный поток, движущийся со сверхзвуковой скоростью из вертикальных каналов 28 верхнего нагнетающего колеса 22, нижнее нагнетающее колесо 25 выполнено меньше по диаметру.

Создание подъемной силы на нагнетающем колесе 23 происходит аналогично вышеописанному. Воздушный поток, отбрасываемый нагнетающим колесом 25, проходит через радиальные лопатки 30 спрямляющего аппарата и приобретает прямолинейное движение. Воздушные потоки вырываются из корпусов 14 движителей вертикального подъема 8, 9, 10, 11, 12, 15 и создают реактивную силу, направленную вверх, уравновешивающую вес аэродинамического судна и удерживающую его над поверхностью водоема. При этом горизонтальное перемещение аэродинамического судна, торможение, движение задним ходом осуществляется движителем горизонтального перемещения, т.е. воздушными винтами 38, 39. При движении аэродинамического судна над поверхностью водоема на определенной высоте может возникнуть необходимость изменения положения корпуса судна в пространстве. Это осуществляется следующим образом. Для набора высоты необходимо ручку управления 108 передвинуть в положение "на себя". Рычаг 109 нажмет на золотник 111 распределительного крана 112. Масло из масляного бака 118 масляным насосом 117 станет подаваться в гидроцилиндр 119. Шток гидроцилиндра выдвинется наружу и тормоз 54 нажмет на тормозной барабан 52, уменьшая частоту его вращения. Вследствие этого уменьшится частота вращения полуосевой шестерни 56 и полуоси 58, а частота вращения полуосевой шестерни 57 и полуоси 59 возрастет на такую же величину. В результате этого частота вращения задних валов 68, 69 главного редуктора 34 и вертикальных валов 21 движителей вертикального подъема 8, 13 уменьшится, а частота вращения передних валов 66, 67 и вертикальных валов 21 движителей вертикального подъема 10, 11 возрастет на такую же величину. Подъемная сила F в задней части корпуса станет меньше, а подъемная сила F₁ в передней части корпуса возрастет на такую же величину. Под действием этих сил корпус судна развернется и за счет тяги воздушных винтов 38, 39 оно станет набирать высоту (фиг.16).

Для снижения необходимо ручку управления 108 передвинуть в положение "от себя". При этом рычаг 109 нажмет на золотник 110 распределительного крана 112. Масло из масляного бака 118 масляным насосом 117 станет подаваться в гидроцилиндр 120. Шток гидроцилиндра выйдет наружу и тормоз 55 нажмет на тормозной барабан 53, уменьшая частоту его вращения и увеличивая на такую же величину частоту вращения тормозного барабана 52. В результате частота вращения полуосевой шестерни 57 и полуоси 59 уменьшится, а полуосевой шестерни 56 и полуоси 58 на такую же величину возрастет. Передние валы 66, 67 главного редуктора 34 и вертикальные валы 21, нагнетающие колеса 22, 23 движителей вертикального подъема 10, 11 станут вращаться медленнее, а задние валы 68, 69, вертикальные валы 21 и нагнетающие колеса 22, 23 движителей вертикального подъема 8, 13 увеличат частоту вращения на такую же величину. Подъемная сила F в задней части корпуса судна увеличится, а подъемная сила F₁ в передней части корпуса уменьшится на такую же величину, корпус судна займет положение, показанное на фигуре 17, и начнется снижение. Для наклона корпуса судна влево необходимо передвинуть ручку управления "влево". При этом внутренняя труба 107 передвинется влево и диск 113 нажмет на золотник 114 распределительного крана 116. Масло из масляного бака 118 масляным насосом 117 станет подаваться в гидроцилиндр 122. Шток гидроцилиндра выйдет наружу и тормоз 83 нажмет на тормозной барабан 81, уменьшая скорость его вращения и увеличивая скорость вращения тормозного барабана 80. Полуосевая шестерня 85, полуось 87, вертикальный вал 21 и нагнетающие колеса 22, 23 движителя вертикального подъема 9 уменьшат частоту своего вращения, а полуосевая шестерня 84, полуось 86, вертикальный вал 21 и нагнетающие колеса 22, 23 движителя вертикального подъема 12 увеличат частоту вращения на такую же величину. Подъемная сила F по правому борту возрастет, а подъемная сила F₁ по левому борту уменьшится и аэродинамическое судно сделает крен влево (фиг.18). Для наклона корпуса судна вправо необходимо передвинуть ручку управления 108 "вправо". Внутренняя труба 107 передвинется в ту же сторону и диск 113 нажмет на золотник 115 распределительного крана 116. Масло из масляного баке 118 масляным насосом 117 станет подаваться в гидроцилиндр 121. Шток гидроцилиндра выйдет наружу и тормоз 82 нажмет на тормозной барабан 80, уменьшая частоту его вращения и увеличивая частоту вращения тормозного барабана 81. Полуосевая шестерня 84, полуось 86, вертикальный вал 21 и нагнетающие колеса 22, 23 движителя вертикального подъема 12 уменьшат частоту вращения, а полуосевая шестерня 85, полуось 87, вертикальный вал 21 и нагнетающие колеса 22, 23 движителя вертикального подъема 9 увеличат частоту вращения на такую же величину. Подъемная сила движителя вертикального подъема 9 увеличится, а подъемная сила движителя вертикального подъема 12 уменьшится. Подъемная сила F левого борта станет больше, а подъемная сила F₁ правого борта станет меньше и корпус аэродинамического судна сделает крен вправо (фиг.19). При движении над поверхностью водоема управление по курсу осуществляется так, как было описано выше.

Аэродинамическое судно может быть использовано в качестве спасательного судна, а также для доставки людей и грузов в труднодоступные районы.

Положительный эффект: более высокая грузоподъемность, большее количество груза можно доставить за один рейс, улучшение аэродинамических качеств судна.