RU2163203C2

RU2163203C2 - Aerodynamic craft

Info

Publication number: RU2163203C2
Authority: RU
Inventors: В.С. Григорчук
Original assignee: Григорчук Владимир Степанович
Priority date: 1989-11-20
Filing date: 1989-11-20
Publication date: 2001-02-20

Abstract

FIELD: shipbuilding; designing aerodynamic craft. SUBSTANCE: craft has hull with through vertical passages: two passages in aft section and two passages in fore section of hull. Craft is provided with propulsors for horizontal motion, rising propulsors arranged in vertical passages, engine mounted inside hull and kinematically linked with propulsors and motion stability control system. Each rising propulsor is made in form of propeller with two pairs of wing-shaped blades mounted for rotation in opposite direction. Each blade is provided with leading-edge slat. Mechanical linkage of engine with rising propulsor is effected through differential gears provided with braking unit. Craft motion stability control system is electrically connected with braking units of controllable differential gears. EFFECT: improved service characteristics of aerodynamic craft. 11 dwg

Description

Изобретение относится к судостроению и может найти применение в качестве транспортного средства. The invention relates to shipbuilding and may find application as a vehicle.

Известно судно, содержащее корпус с водительским отделением, установленный на поплавки, внутри которого расположен двигатель с муфтой сцепления, механически соединенный с несущими винтами самолетного типа большого диаметра, установленными по два спереди и сзади под углом 25^o к корпусу (а.с. СССР N 312788, 1971).A ship is known that contains a hull with a driver’s compartment mounted on floats, inside of which there is an engine with a clutch, mechanically connected to large-diameter aircraft rotors installed two in front and behind at an angle of 25 ^o to the hull (A.S. USSR N 312788, 1971).

Недостатками известного судна являются большая энерговооруженность, повышенная опасность при эксплуатации, большие переменные нагрузки на лопасти винтов, работающих на границе двух сред и небольшая высота подъема корпуса судна над поверхностью воды. The disadvantages of the known vessel are its high power-to-weight ratio, increased danger during operation, large variable loads on the propeller blades operating on the border of two media, and the small height of the hull of the vessel above the water surface.

Указанные недостатки обусловлены выбранной схемой конструкции. These disadvantages are due to the selected design scheme.

Известно также аэродинамическое судно, содержащее корпус с водительским и пассажирским отделениями, внутри которого установлен двигатель с муфтой сцепления, механически связанных с движителями вертикального подъема, которые размещены в сквозных вертикальных каналах, выполненных в корпусе в корпусе по два в носовой и кормовой частях (патент США N 4043421, кл. B 60 V 1/00, 1977). Известное аэродинамическое судно по патенту США N 4043421 как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому полезному результату принято за прототип. Also known is an aerodynamic vessel containing a hull with driver and passenger compartments, inside of which there is an engine with a clutch, mechanically connected to vertical lift engines, which are placed in through vertical channels made in the hull in the hull, two in the fore and aft parts (US patent N 4043421, CL B 60 V 1/00, 1977). Known aerodynamic vessel according to US patent N 4043421 as the closest in technical essence and achieved useful result is taken as a prototype.

Недостатками известного аэродинамического судна, принятого за прототип, являются недостаточная мореходность, низкий КПД движителей вертикального подъема, значительное влияние на окружающую среду, небольшая скорость горизонтального движения. Указанные недостатки обусловлены: небольшой высотой парения, трением больших масс воздуха о вертикальные каналы, большим гидродинамическим (волновым) сопротивлением, возникающим из-за взаимодействия корпуса судна с водной поверхностью через упругие потоки воздуха, значительным количеством пыли, водяных брызг и шума, обусловленных истечением с большой скоростью больших масс воздуха. The disadvantages of the known aerodynamic vessel adopted for the prototype are insufficient seaworthiness, low efficiency of vertical lift propulsion, significant environmental impact, low horizontal speed. These shortcomings are caused by: a small vaping height, the friction of large air masses against vertical channels, a large hydrodynamic (wave) resistance arising from the interaction of the ship’s hull with the water surface through elastic air flows, a significant amount of dust, water spray and noise due to expiration with high speed of large masses of air.

Целью настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных качеств аэродинамического судна. The aim of the present invention is to improve the performance of an aerodynamic vessel.

Указанная цель согласно изобретению обеспечивается тем, что движители вертикального подъема в форме нагнетателей заменены движителями вертикального подъема в виде винта с двумя парами лопастей крыльчатого профиля, установленных с возможностью вращения в противоположные стороны, при этом каждая лопасть снабжена предкрылком, причем двигатель кинематически соединен с движителями вертикального подъема посредством управляемых тормозами дифференциалов, системой устойчивости, которая электрически связана с тормозами дифференциалов. The specified objective according to the invention is ensured by the fact that the vertical lift motors in the form of superchargers are replaced by vertical lift engines in the form of a screw with two pairs of wing profile vanes mounted for rotation in opposite directions, each blade being provided with a slat, and the engine is kinematically connected to vertical engines lifting by means of differential-controlled brakes, a stability system that is electrically connected to the differential brakes.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид аэродинамического судна; на фиг. 2 - вид на аэродинамическое судно сверху; на фиг. 3 - вид на аэродинамическое судно снизу; на фиг. 4 - схема размещения узлов в корпусе судна; на фиг. 5 - вид на передние движители вертикального подъема со стороны двигателя; на фиг. 6 - разрез по А-А фиг. 5; на фиг. 7 - разрез по Б-Б фиг. 5; на фиг. 8 - разрез по В-В фиг. 5; на фиг. 9 - вид на задние движители вертикального подъема со стороны двигателя; на фиг. 10 - схема силовой передачи; на фиг. 11 - схема движения аэродинамического судна над поверхностью воды. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a general view of an aerodynamic vessel; in FIG. 2 - view of the aerodynamic vessel from above; in FIG. 3 - view of the aerodynamic vessel from below; in FIG. 4 - layout of nodes in the hull; in FIG. 5 is a view of the front movers of the vertical lift from the engine; in FIG. 6 is a section along AA of FIG. 5; in FIG. 7 is a section along BB of FIG. 5; in FIG. 8 is a section along BB of FIG. 5; in FIG. 9 is a view of the rear movers of the vertical lift from the engine; in FIG. 10 is a power train diagram; in FIG. 11 is a diagram of the movement of an aerodynamic vessel above the surface of the water.

Предлагаемое аэродинамическое судно содержит корпус 1, в котором размещены водительское 2 и пассажирское 3 отделения. В задней части корпуса на продольной 4 и поперечной 5 балках закреплены кольца 6 и 7, в которых размещены воздушные винты 8 и 9 изменяемого шага. Позади колец на кронштейнах установлены струйные рули 10 и 11. По бокам корпуса расположены воздухозаборники 12 и 13 и боковые мостки 14 и 15, выполняющиe при движении роль стабилизаторов. В носовой части корпуса выполнены два сквозных вертикальных канала 16 и 17, закрытыe сверху и снизу металлическими решетками 18 и 19. В кормовой части корпуса также выполнены два сквозных вертикальных канала 20 и 21, закрытых решетками 22 и 23. Передние вертикальные каналы соединены с небольшими горизонтальными каналами 24 и 25, а задние вертикальные каналы соединены горизонтальными каналами 26 и 27 с воздухозаборниками. Внутри вертикальных каналов установлены передние 28 и 29 и задние 30 и 31 движители вертикального подъема, которые одинаковы по конструкции и каждый из них содержит верхнюю вертикальную ось 32, нижнюю вертикальную ось 33, вставленные друг в друга и закрепленные в подшипнике опоры 34 и редуктора 35 с возможностью вращения в противоположные стороны. К верхней оси прикреплена верхняя пара круглых крыльев 36 и 37 с постоянно выдвинутыми предкрылками 38 и 39. К нижней оси прикреплена нижняя пара круглых крыльев 40 и 41 с постоянно выдвинутыми подкрылками 42 и 43. Верхняя пара крыльев развернута относительно нижней пары на 90^o. Крылья самолетного типа вогнуто-выпуклого сечения. Угол атаки каждого крыла α=5^o. Расстояние между верхней парой крыльев и нижней h= 0,5-1 м. Двигатель 44 с муфтой сцепления 45 карданным валом 46 соединен с редуктором 47, крутящий момент от которого разделен на два потока. Первый поток идет через вариатор 48, карданный вал 49, pедуктор 50, карданные валы 51 и 52, редукторы 53 и 54 на вращение воздушных винтов. Второй поток идет через центральный дифференциал 55 с тормозными барабанами 56 и 57, карданные валы 58 и 59, уплотнительные устройства 60 и 61 на передний 62 и задний 63 дифференциалы, имеющие соответственно тормозные барабаны 64, 65 и 66, 67. Передний дифференциал карданными валами 68 и 69 через уплотнительные устройства 70 и 71 и передние редукторы соединен с передними движителями вертикального подъема. Задний дифференциал карданными валами 72 и 73 через уплотнительные 74 и 75 устройства и задние редукторы соединен с задними движителями вертикального подъема. Система устойчивости содержит гироскоп 76, потенциометры которого соединены с входом усилителя продольного наклона 77 и входом усилителя поперечного наклона 78. Выход усилителя продольного наклона электрически соединен с механизмами 79 и 80 включения тормозных колодок 81 и 82 центрального дифференциала. Выход усилителя поперечного наклона электрически соединен с механизмами 83, 84 и 85, 86 включения тормозных колодок 87,88 и 89,90 переднего и заднего дифференциалов. Ручка 91 соединена с блоком питания 92, который электрически соединен с усилителями продольного и поперечного наклона.The proposed aerodynamic vessel contains a hull 1, in which the driver's 2 and passenger 3 departments are located. In the rear part of the body on the longitudinal 4 and transverse 5 beams are fixed rings 6 and 7, in which propellers 8 and 9 of variable pitch are placed. Behind the rings, brackets 10 and 11 are installed on the brackets. Air intakes 12 and 13 and side bridges 14 and 15, which act as stabilizers when moving, are located on the sides of the casing. In the fore part of the hull there are two through vertical channels 16 and 17, closed from above and below by metal grilles 18 and 19. In the aft part of the hull, there are also two through vertical channels 20 and 21, closed by gratings 22 and 23. The front vertical channels are connected to small horizontal channels 24 and 25, and the rear vertical channels are connected by horizontal channels 26 and 27 with air intakes. Inside the vertical channels are installed front 28 and 29 and rear 30 and 31 vertical lift motors, which are the same in design and each of them contains an upper vertical axis 32, a lower vertical axis 33, inserted into each other and fixed in the bearing of the support 34 and gearbox 35 s the possibility of rotation in opposite directions. An upper pair of round wings 36 and 37 with constantly extended slats 38 and 39 is attached to the upper axis. A lower pair of round wings 40 and 41 with constantly extended wing flaps 42 and 43 is attached to the lower axis. The upper pair of wings is 90 ^° rotated relative to the lower pair. Wings of aircraft type concave-convex section. The angle of attack of each wing α = 5 ^o . The distance between the upper pair of wings and the lower h = 0.5-1 m. The engine 44 with the clutch 45 of the driveshaft 46 is connected to the gearbox 47, the torque from which is divided into two streams. The first flow goes through the variator 48, the driveshaft 49, the gearbox 50, the driveshafts 51 and 52, the gearboxes 53 and 54 to rotate the propellers. The second flow goes through the central differential 55 with brake drums 56 and 57, cardan shafts 58 and 59, sealing devices 60 and 61 to the front 62 and rear 63 differentials, respectively having brake drums 64, 65 and 66, 67. Front differential by cardan shafts 68 and 69 through the sealing devices 70 and 71 and the front gears connected to the front movers of vertical lift. The rear differential by the cardan shafts 72 and 73 through the sealing devices 74 and 75 and the rear gears is connected to the rear vertical lift movers. The stability system contains a gyroscope 76, the potentiometers of which are connected to the input of the longitudinal tilt amplifier 77 and the input of the lateral tilt amplifier 78. The output of the longitudinal tilt amplifier is electrically connected to the brake pads 81 and 82 of the central differential. The output of the transverse tilt amplifier is electrically connected to the mechanisms for activating the brake pads 87.88 and 89.90 of the front and rear differentials 83, 84 and 85, 86. The handle 91 is connected to a power supply 92, which is electrically connected to the amplifiers of longitudinal and transverse inclination.

Работа аэродинамического судна. The work of an aerodynamic vessel.

При работе двигателя 44 крутящий момент через муфту сцепления 45, карданный вал 46, редуктор 47 передается на центральный дифференциал 55, с которого карданными валами 58 и 59, через передний 62 и задний 63 дифференциалы, карданные валы 68, 69 и 72, 73, редукторы 35 поступает на передние 28, 29 и задние 30, 31 движители вертикального подъема. В этом случае круглые крылья 36 и 37 передних и задних движителей вертикального подъема вращаются в одну сторону, а крылья 40 и 41 в противоположную сторону с такой же скоростью. Скорость движения воздуха по верхним поверхностям крыльев будет больше, а под нижними поверхностями меньше. When the engine 44 is operating, torque is transmitted through the clutch 45, the driveshaft 46, the gearbox 47 to the central differential 55, from which the driveshafts 58 and 59, through the front 62 and rear 63 differentials, driveshafts 68, 69 and 72, 73, gearboxes 35 enters the front 28, 29 and rear 30, 31 propulsion vertical lift. In this case, the round wings 36 and 37 of the front and rear vertical lift movers rotate in one direction, and the wings 40 and 41 in the opposite direction at the same speed. The speed of air movement on the upper surfaces of the wings will be greater, and under the lower surfaces less.

Вследствие этого над верхними поверхностями крыльев возникает разрежение, а под нижними повышенное давление, которое дополнительно увеличиваются за счет предкрылков 38, 39 и 42, 43. As a result of this, a rarefaction occurs over the upper surfaces of the wings, and under the lower surfaces there is an increased pressure, which is additionally increased due to the slats 38, 39 and 42, 43.

Равнодействующая этих давлений - подъемная сила P_у направлена вверх и уравновешивает вес судна. Увеличением или уменьшением частоты вращения вала двигателя 44 можно изменять величину подъемной силы P_у. Как только подъемная сила превысит силу веса P, корпус судна оторвется от поверхности воды и поднимается на некоторую высоту, которая может изменяться при необходимости в больших пределах. Рычагом (не показан) включается вариатор 48 и устанавливаются необходимые обороты воздушных винтов 8 и 9. После поворота лопастей винтов на необходимых угол возникает тяга, сообщающая судну поступательную скорость. Крутящий момент при этом передается от вариатора 48 на воздушные винты через карданный вал 49, редуктор 50, карданные валы 51, 52 и редукторы 53 и 54. Путевое управление судном осуществляется отклонением струйных рулей 10 и 11 в ту или иную сторону. Торможение и движение задним ходом выполняется за счет тяги, направленной вперед при установке отрицательных углов атаки лопастей воздушных винтов. Если по каким-либо причинам, при движении судна над поверхностью воды, передняя часть корпуса опустится вниз из горизонтального положения, то датчики гироскопа 76 пошлют сигнал, соответствующий скорости и величине этого отклонения, в усилитель 77 продольной системы устойчивости. Усиленный сигнал подается на исполнительный механизм 80, который прижимает тормозную колодку 82 к тормозному барабану 57 центрального дифференциала 55. Вследствие этого частота вращения передних 28 и 29 движителей вертикального подъема возрастет, а задних 30 и 31 уменьшится. Подъемная сила в носовой части корпуса судна возрастет, а в кормовой части уменьшится и корпус займет горизонтальное положение. В случае, если носовая часть корпуса отклонится от горизонтального положения вверх, то датчики гироскопа 76, через усилитель 77, пошлют усиленный сигнал в исполнительный механизм 79, который прижмет тормозную колодку 81 к тормозному барабану 56. Частота вращения передних движителей вертикального подъема уменьшится, а задних увеличится. Подъемная сила в носовой части корпуса уменьшится, а в кормовой возрастет и корпус вновь займет горизонтальное положение. Аналогично происходит, когда отклоняется вверх или вниз кормовая часть корпуса. При отклонении правого борта вверх от горизонтального положения датчики гироскопа 76 пошлют сигнал, соответствующий скорости и величине этого отклонения на усилитель поперечной устойчивости 78. Усиленный усилителем сигнал поступает на исполнительные механизмы 85 и 86, которые прижимают тормозные колодки 89 и 90 к тормозным барабанам 64 и 66 переднего 62 и заднего 63 дифференциалов. Частота вращения переднего правого 29 и заднего правого 31 движителей вертикального подъема уменьшится, а левого переднего 28 и левого заднего 30 увеличится. Подъемная сила по правому борту судна уменьшится, а по левому увеличится и корпус судна займет горизонтальное положение. При отклонении правого борта вниз от горизонтального положения усиленный усилителем 78 сигнал от гироскопа 76 поступает на исполнительные механизмы 83 и 84, которые прижимают тормозные колодки 87 и 88 к тормозным барабанам 65 и 67. Частота вращения движителей вертикального подъема левого переднего 28 и левого заднего 30 уменьшится, а правого переднего 29 и правого заднего 31 увеличится. Подъемная сила по правому борту увеличивается, а по левому уменьшается и корпус судна вновь принимает горизонтальное положение. Аналогично действует система устойчивости при отклонении вверх или вниз левого борта корпуса судна. Механизмы приводов тормозных колодок могут быть гидравлическими с золотниками, приводящимися в движение электромагнитами, обмотки которых подключены к усилителям продольной и поперечной устойчивости. При выключенной или неисправной системе устойчивости управление положением корпуса судна в пространстве осуществляется поворотом в соответствующую сторону ручки 91 и подачей тока из блока питания 92 в механизмы привода тормозных колодок дифференциалов. Во время движения судна над поверхностью воды воздушный поток, двигаясь со скоростью V, создает разрежение в вертикальных каналах 16, 17, 20, 21 /на фиг. 11 показано пунктирными стрелками/. Из-за этого уменьшается плотность воздуха в вертикальных каналах и снижается подъемная сила крыльев. Чтобы этого не происходило, при движении судна в вертикальные каналы подается воздух под динамически напором. В передние вертикальные каналы воздух поступает через горизонтальные каналы 24 и 25, а в задние вертикальные каналы через воздухозаборники 12 и 13 и далее по горизонтальным каналам 26 и 27 /на фиг. 11 показано волнистыми стрелками/. Чтобы верхняя пара крыльев оказывала наименьшее влияние на нижнюю пару крыльев расстояние h между ними должно быть остаточно большим, на сколько это возможно. Небольшой угол атаки крыльев 36, 37, 40, 41 α = 5^o выбран потому, что расстояние между двумя, движущимися друг за другом крыльев небольшое. При больших углах атаки после первого крыла будут возникать большие завихрения воздуха, попадая в которые второе крыло, двигаясь вслед за первым, будет работать в невыгодном режиме. Чтобы предотвратить попадание воды внутрь корпуса судна, в моменты, когда оно находится на плаву, подвод мощности к движителям вертикального подъема осуществляется через уплотнительные устройства 60, 61, 70, 71, 74, 75.The resultant of these pressures, the lifting force P _{y, is} directed upward and balances the weight of the vessel. By increasing or decreasing the rotational speed of the motor shaft 44, the magnitude of the lifting force P _y can be changed. As soon as the lifting force exceeds the force of weight P, the hull of the vessel will come off the surface of the water and rise to a certain height, which can vary if necessary over large limits. With a lever (not shown), the variator 48 is turned on and the necessary revolutions of the propellers 8 and 9 are set. After turning the propeller blades to the required angle, a thrust arises that informs the ship at the forward speed. The torque is transmitted from the variator 48 to the propellers through the propeller shaft 49, gearbox 50, propeller shafts 51, 52 and gearboxes 53 and 54. The directional control of the vessel is carried out by deflecting the jet rudders 10 and 11 in one direction or another. Braking and reversing is performed due to the thrust directed forward when setting negative angles of attack of the propeller blades. If for some reason, when the vessel moves above the water surface, the front of the hull drops down from a horizontal position, then the gyroscope sensors 76 will send a signal corresponding to the speed and magnitude of this deviation to the amplifier 77 of the longitudinal stability system. The amplified signal is applied to an actuator 80, which presses the brake shoe 82 against the brake drum 57 of the central differential 55. As a result, the rotation frequency of the front 28 and 29 vertical lift engines will increase, and the rear 30 and 31 will decrease. The lifting force in the bow of the ship’s hull will increase, and in the stern of the ship will decrease and the hull will take a horizontal position. If the bow of the body deviates from the horizontal position upwards, then the gyroscope sensors 76, through the amplifier 77, will send an amplified signal to the actuator 79, which will press the brake pad 81 to the brake drum 56. The speed of the front vertical lift engines will decrease, and the rear will increase. The lifting force in the bow of the hull will decrease, and in the stern will increase and the hull will again take a horizontal position. Similarly, when the stern of the hull deviates up or down. When the starboard deviates upward from the horizontal position, the gyroscope sensors 76 will send a signal corresponding to the speed and magnitude of this deviation to the lateral stability amplifier 78. The signal amplified by the amplifier is transmitted to actuators 85 and 86, which press brake pads 89 and 90 to brake drums 64 and 66 front 62 and rear 63 differentials. The rotation frequency of the front right 29 and rear right 31 vertical lift movers will decrease, and the left front 28 and left rear 30 will increase. The lifting force on the starboard side of the vessel will decrease, and on the left side it will increase and the hull will take a horizontal position. When the starboard deviates down from the horizontal position, the signal amplified by the amplifier 78 from the gyroscope 76 is transmitted to the actuators 83 and 84, which press the brake pads 87 and 88 to the brake drums 65 and 67. The rotational speed of the vertical front left 30 and left rear 30 drives will decrease , and the right front 29 and the right rear 31 will increase. The lifting force on the starboard side increases, and on the left side decreases and the hull again takes a horizontal position. The stability system acts similarly when the left side of the hull deviates up or down. The brake pad drive mechanisms can be hydraulic with spools driven by electromagnets, the windings of which are connected to amplifiers of longitudinal and lateral stability. When the stability system is off or malfunctioning, the position of the hull in space is controlled by turning the handle 91 to the corresponding side and supplying current from the power supply 92 to the differential brake drive mechanisms. During the movement of the vessel above the water surface, the air flow, moving at a speed of V, creates a vacuum in the vertical channels 16, 17, 20, 21 / in FIG. 11 is shown by dotted arrows /. Because of this, the air density in the vertical channels decreases and the lifting force of the wings decreases. To prevent this, when the vessel moves into the vertical channels, air is supplied under dynamic pressure. Air enters the front vertical channels through the horizontal channels 24 and 25, and into the rear vertical channels through the air intakes 12 and 13 and further through the horizontal channels 26 and 27 / in FIG. 11 is shown by wavy arrows. In order for the upper pair of wings to have the least effect on the lower pair of wings, the distance h between them should be as large as possible. A small angle of attack of the wings 36, 37, 40, 41 α = 5 ^{o is} selected because the distance between the two wings moving one after another is small. At large angles of attack, large air turbulence will occur after the first wing, falling into which the second wing, moving after the first, will work in an unfavorable mode. To prevent water from getting inside the ship’s hull when it’s afloat, power is supplied to the vertical propulsion devices through sealing devices 60, 61, 70, 71, 74, 75.

Предлагаемое судно может быть использовано для доставки людей и грузов в труднодоступные районы. The proposed vessel can be used to deliver people and goods to hard-to-reach areas.

Предлагаемое изобретение обеспечивает экономию топлива при меньших затратах мощности, повышение грузоподъемности и безопасности при эксплуатации, более высокую проходимость при движении через мели, пороги и перекаты, а также при многобальном волнении, меньшее влияние на окружающую среду. The present invention provides fuel savings at lower power costs, increased carrying capacity and safety during operation, higher throughput when moving through shallows, rapids and rifts, as well as with multi-point disturbance, less impact on the environment.

Claims

An aerodynamic vessel comprising a hull with through vertical channels made two in the fore and aft parts of the hull, horizontal displacement movers, vertical lift movers placed in vertical channels, an engine installed inside the hull and kinematically connected to the movers, and a ship traffic stability control system , characterized in that, in order to improve performance, each vertical lift mover is made in the form of a screw with two pairs of impeller blades profile installed with the possibility of rotation in the opposite direction, with each blade equipped with a slat, moreover, the engine is mechanically coupled to vertical lift engines via controlled differentials with a braking device, and the ship stability control system is electrically connected to the said brake differentiated devices.