RU2736552C1

RU2736552C1 - Wave propulsor of multi-hull ship

Info

Publication number: RU2736552C1
Application number: RU2020121376A
Authority: RU
Inventors: Сергей Демидович Чижиумов
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2020-11-18

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to ship propulsion devices, namely to wave propulsors. Wave propulsor of multi-hull ship does not have movable parts and connections, and represents a connecting bridge between housings. Propulsor is located above the waterline, has a sharp nose edge with an inclined front section of the deck and a row of elongated transverse cavities, separated by walls and having a profile in the form of a rear wall rounded on top, front wall with inclination in lower part to stern, lower wide opening and upper slotted hole.

EFFECT: higher efficiency of wave energy conversion and higher reliability of wave propulsor.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к судостроению, в частности к средствам использования энергии морских волн для движения судна.The invention relates to shipbuilding, in particular to means of using the energy of sea waves for the movement of a ship.

Из уровня развития техники известны волновые движители в виде глубоко погруженных крыльев, принцип действия которых основан на том, что их вертикальное движение от качки судна на волнении при определённых углах атаки формирует силу тяги. Г.Е. Павленко в 1935 г. предложил использовать крыло с переменным углом атаки, автоматически регулируемым пружинными ограничителями [Устройство для использования качки на волнении для передвижения судна, Авт. свид. 47562, МКИ В63Н 19/02]. Э. Якобсен предложил несколько аналогичных устройств, в которых угол атаки крыльев регулируется пружинами, гидроцилиндрами или упругостью самих крыльев, например [Волновой движитель для судов, патент СССР 946396, МКИ В63Н, 1982 г.]. В.В. Горшков предложил устанавливать крылья с различными степенями свободы, в оконечностях судна и на глубине, где волнение воды можно считать отсутствующим [Качеход и качеприводной движитель, Патент RU 2392177 С1 МПК B63H19/02, 2008 г.].From the state of the art, wave propellers are known in the form of deeply submerged wings, the principle of which is based on the fact that their vertical movement from the rocking of the vessel on waves at certain angles of attack forms a thrust force. G.E. Pavlenko in 1935 proposed the use of a wing with a variable angle of attack, automatically adjusted by spring stops [Device for the use of rolling in waves to move the ship, Ed. wit. 47562, MKI V63N 19/02]. E. Jacobsen proposed several similar devices in which the angle of attack of the wings is regulated by springs, hydraulic cylinders or the elasticity of the wings themselves, for example [Wave propulsion device for ships, USSR patent 946396, MKI V63N, 1982]. V.V. Gorshkov proposed to install wings with different degrees of freedom, at the ends of the vessel and at depths where the waves of the water can be considered absent [Kachekhod and high-drive propulsion device, Patent RU 2392177 C1 IPC B63H19 / 02, 2008].

Недостатком таких устройств является то, что вертикальное движение подводных крыльев формируется не непосредственно волнением, а вследствие качки судна. То есть первичным приемником энергии волн служит корпус судна. Для формирования достаточной тяги судно должно интенсивно раскачиваться, а крылья должны располагаться на значительном заглублении. В результате эффективность движителя мала. Кроме того, возникают большие ускорения и перемещения при качке, удары волн в корпус, возможны повреждения подводных крыльев при ударах о дно на малых глубинах. The disadvantage of such devices is that the vertical movement of hydrofoils is formed not directly by excitement, but due to the rocking of the vessel. That is, the ship's hull serves as the primary receiver of wave energy. To generate sufficient thrust, the vessel must swing intensively, and the wings must be located at a significant depth. As a result, the efficiency of the mover is low. In addition, large accelerations and displacements occur during rolling, shock waves into the hull, damage to hydrofoils is possible when they hit the bottom at shallow depths.

Известны также устройства для формирования пропульсивной силы напором, образующимся при заполнении водой резервуаров [Васильев В.Ю., Сенькин Ю.Ф. Волновой движитель судна, патент РФ 2035355 МКИ В63Н 19/02, 1990 г.] или каналов [Чикаренко В.Г. Устройство для уменьшения скорости дрейфа судна, патент РФ 2184047 МКИ В63Н 19/02, 2000 г.] с клапанами, открывающимися под действием давления волн. Недостатком таких устройств является их низкая эффективность как движителей, в результате чего они могут служить в большей степени лишь как успокоители качки.There are also known devices for the formation of the propulsive force by the pressure generated when filling the reservoirs with water [Vasiliev V.Yu., Senkin Yu.F. Wave propulsion vessel, RF patent 2035355 MKI V63N 19/02, 1990] or channels [Chikarenko V.G. A device for reducing the speed of a ship's drift, RF patent 2184047 MKI V63N 19/02, 2000] with valves that open under the action of wave pressure. The disadvantage of such devices is their low efficiency as propellers, as a result of which they can serve to a greater extent only as vibration dampers.

Недостатком известных волновых движителей является низкая эффективность, а также наличие выступающих и подвижных частей, недостаточно надёжных при воздействии динамических нагрузок, особенно ударов волн в штормовых условиях плавания, а также вследствие обрастания и коррозии.The disadvantage of the known wave propellers is low efficiency, as well as the presence of protruding and moving parts that are not sufficiently reliable when exposed to dynamic loads, especially wave shocks in stormy sailing conditions, as well as due to fouling and corrosion.

Наиболее близким к заявляемому решению является техническое решение по патенту Прокофьева В.В., Филатова Е.В., Чикаренко В.Г. и др. [Судовой волнодвижитель, патент RU 2528449 С2 МПК B63H19/02, 2011 г.], согласно которому волновой движитель представляет собой наклонную пластину, жестко закрепленную определенным образом между корпусами катамарана. Сила тяги судна на встречном волнении образуется за счёт наката волн на пластину, с последующим образованием пропульсивного импульса при падении волн с задней кромки пластины. Достоинством такого устройства является простота конструкции и отсутствие в нём подвижных деталей. Однако имеются и существенные недостатки, а именно: фиксированные длина и угол наклона пластины обеспечивают образование силы тяги в узком диапазоне параметров волнения; импульс тяги образуется только при сходе волны с задней кромки пластины, в остальное время встречная волна преимущественно создаёт силу, препятствующую движению вперёд; погруженная передняя часть пластины создаёт большое сопротивление движению. В результате эффективность волнового движителя низкая, причём в большом диапазоне курсовых углов, длин и высот волн судно будет дрейфовать только по ходу волн.The closest to the claimed solution is a technical solution according to the patent of V.V. Prokofiev, E.V. Filatov, V.G. Chikarenko. and others [Ship mover, patent RU 2528449 C2 IPC B63H19 / 02, 2011], according to which the wave mover is an inclined plate rigidly fixed in a certain way between the catamaran hulls. The thrust force of the vessel in the oncoming waves is formed due to the rolling of waves on the plate, with the subsequent formation of a propulsive impulse when the waves fall from the trailing edge of the plate. The advantage of such a device is its simplicity of design and the absence of moving parts in it. However, there are also significant disadvantages, namely: fixed length and angle of inclination of the plate provide the formation of traction in a narrow range of wave parameters; the thrust impulse is generated only when the wave leaves the trailing edge of the plate, the rest of the time the counter wave predominantly creates a force that prevents the forward movement; the immersed front of the plate creates great resistance to movement. As a result, the efficiency of the wave mover is low, and in a wide range of heading angles, wavelengths and heights of the waves, the vessel will drift only along the course of the waves.

Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является способность эффективной работы волнового движителя на различных курсовых углах волнения, в широком диапазоне длин и высот волн, при обеспечении надёжности в условиях штормовых динамических нагрузок.Thus, the technical problem to be solved by the proposed invention is the ability of the wave mover to work efficiently at various heading angles of waves, in a wide range of wavelengths and heights, while ensuring reliability in conditions of storm dynamic loads.

Решение указанной технической проблемы достигается тем, что устройство для преобразования энергии поверхностных морских волн в энергию поступательного движения судна не имеет подвижных частей и соединений и выполнено в виде соединительной конструкции (моста) между корпусами многокорпусного судна, отличительными особенностями которого является то, что устройство размещено над ватерлинией судна и имеет расположенные в ряд по длине поперечные полости, открытые снизу, при этом задняя стенка каждой полости внизу вертикальная, вверху закругляется вперёд, а передняя стенка, вверху закруглённая, внизу имеет наклон в корму, вверху каждой полости выполнено щелевое отверстие, полости разделены на части продольными стенками, а передняя верхняя часть моста имеет острую носовую кромку и наклонный участок палубы.The solution to this technical problem is achieved by the fact that the device for converting the energy of surface sea waves into the energy of the ship's translational motion has no moving parts and connections and is made in the form of a connecting structure (bridge) between the hulls of a multi-hull ship, the distinctive features of which is that the device is located above the waterline of the vessel and has transverse cavities arranged in a row along the length, open at the bottom, while the rear wall of each cavity is vertical at the bottom, rounded at the top, and the front wall, rounded at the top, has a slope at the bottom, a slot is made at the top of each cavity, the cavities are separated in part by longitudinal walls, and the front upper part of the bridge has a sharp bow edge and an inclined deck section.

Технический результат изобретения состоит в увеличении эффективности преобразования энергии волн и повышении надёжности устройства волнового движителя, который достигается специальной формой элементов волнового движителя, размещением их по большой площади без подвижных соединений и выступов за габариты корпуса судна, уменьшением сопротивления движению судна путём размещения этих элементов выше ватерлинии. Новые существенные признаки позволяют обеспечить эффективное преобразование волновой энергии и формирование силы тяги в условиях широкого спектра параметров волн при различных курсовых углах.The technical result of the invention consists in increasing the efficiency of wave energy conversion and increasing the reliability of the wave propeller device, which is achieved by a special shape of the wave propeller elements, placing them over a large area without moving joints and protrusions beyond the dimensions of the ship's hull, reducing the resistance to the movement of the ship by placing these elements above the waterline ... New essential features make it possible to ensure efficient conversion of wave energy and the formation of traction force in a wide range of wave parameters at different course angles.

Специальная форма полостей, а также передней и задней частей волнового движителя, обеспечивают их совместную работу таким образом, чтобы учесть переменный характер волновых потоков, их неоднородную структуру, разные направления, длину и высоту волн. Потоки, идущие снизу вверх при входе моста на гребень волны, попадают в полости и, поворачиваясь вперёд, ударяются в передние стенки полостей, создавая движущие импульсы. Затем, при сходе гребня волны, потоки направляются вниз и в корму, формируя реактивные пропульсивные импульсы. Встречные потоки гребней волн разрезаются передней острой кромкой моста и направляются по наклонной палубе, замедляясь и стекая вниз по щелевым отверстиям в полости, где отклоняются в корму, также образуя реактивную тягу. Встречные потоки на подошве волны относительно мало препятствуют движению судна, так как днище моста выходит из воды. Попутные потоки гребней волн создают активные движущие импульсы давления на корму и передние стенки полостей.The special shape of the cavities, as well as the front and rear parts of the wave propeller, ensure their joint work in such a way as to take into account the variable nature of wave flows, their inhomogeneous structure, different directions, length and height of waves. The streams going from bottom to top when the bridge enters the wave crest enter the cavities and, turning forward, hit the front walls of the cavities, creating driving impulses. Then, when the crest of the wave descends, the streams are directed downward and aft, forming reactive propulsive impulses. The counter currents of wave crests are cut by the front sharp edge of the bridge and are directed along the inclined deck, slowing down and flowing down along the slots in the cavity, where they are deflected into the stern, also forming jet thrust. Counter currents at the bottom of the wave hinder the movement of the vessel relatively little, since the bottom of the bridge emerges from the water. Concurrent flows of wave crests create active driving pressure impulses on the stern and the front walls of the cavities.

На фигуре 1 изображено судно с продольным разрезом диаметральной плоскостью по волновому движителю (плоскость разреза является плоскостью симметрии). Устройство представляет собой соединительный мост 1 между корпусами 2 многокорпусного судна, имеющий: палубу 3; днище 4; поперечные полости 5, разделённые на части продольными стенками 6; щелевые отверстия 7. Каждая полость 5 имеет переднюю стенку 8 с наклоном в корму в нижней части и заднюю стенку 9 с наклоном в нос в верхней части. Палуба в носовой части имеет наклонный участок 10, образуя «пронизывающую» волны острую носовую кромку. Остальные участки палубы между щелевыми отверстиями также могут иметь небольшой наклон для ускорения стекания воды через эти отверстия. Кормовая часть моста 11 имеет форму, аналогичную форме передней стенки внутренних полостей. Днище моста располагается над поверхностью тихой воды, вблизи ватерлинии судна. Участки днища между полостями имеют небольшой наклон для уменьшения ударов о воду и сопротивления воды при движении судна.Figure 1 shows a vessel with a longitudinal section of the diametrical plane along the wave propeller (the plane of the section is the plane of symmetry). The device is a connecting bridge 1 between the hulls 2 of a multihull ship, which has: deck 3; bottom 4; transverse cavities 5, divided into parts by longitudinal walls 6; slotted openings 7. Each cavity 5 has a front wall 8 sloping aft at the bottom and a rear wall 9 sloping forward at the top. The deck in the bow has an inclined section 10, forming a sharp bow edge "penetrating" the waves. The rest of the deck between the slots can also have a slight slope to accelerate the flow of water through these holes. The aft part of the bridge 11 has a shape similar to that of the front wall of the inner cavities. The bottom of the bridge is located above the surface of calm water, near the ship's waterline. The sections of the bottom between the cavities have a slight slope to reduce shocks against water and water resistance when the vessel is moving.

На фигуре 2 изображена схема взаимодействия волнового движителя с набегающей встречной волной. Стрелками показаны векторы скорости основных потоков в районе полостей волнового движителя.Figure 2 shows a diagram of the interaction of a wave mover with an oncoming oncoming wave. The arrows show the velocity vectors of the main flows in the region of the cavities of the wave mover.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

При относительном движении волны снизу вверх происходит импульсное воздействие на днище 4 моста 1 и быстрое заполнение полостей 5, при этом результирующая гидродинамическая сила толкает судно – за счёт поворота потока в полости на плавном закруглении задней стенки 9 и динамического давления на переднюю стенку 8. При спаде волны формируется стекание воды по наклонной передней стенке 8 полости в сторону кормы судна, образуя реактивную пропульсивную силу. Поперечному растеканию воды препятствуют стенки 6. Гребни волн, идущие навстречу судну, свободно «пронизываются» острой передней кромкой моста, накатываются по наклонной поверхности 10 на палубу 3 и по щелевым отверстиям 7 стекают в полости 5, также перенаправляясь по наклонным стенкам 8 в корму, образую дополнительную силу тяги. При попутном волнении дополнительная толкающая судно сила образуется от динамического давления волн на кормовую часть моста 11 и на передние стенки полостей 8.With the relative movement of the wave from the bottom up, an impulse effect occurs on the bottom 4 of the bridge 1 and the cavities 5 are quickly filled, while the resulting hydrodynamic force pushes the vessel - due to the turn of the flow in the cavity on the smooth rounding of the rear wall 9 and dynamic pressure on the front wall 8. During the decline waves are formed by the flow of water along the inclined front wall 8 of the cavity towards the stern of the vessel, forming a reactive propulsive force. Walls 6 prevent the transverse spreading of water. The crests of waves, going towards the vessel, freely "pierce" the sharp leading edge of the bridge, roll along the inclined surface 10 onto the deck 3 and flow down the slots 7 into the cavity 5, also redirecting along the inclined walls 8 to the stern, form an additional traction force. With a passing sea, an additional pushing force of the vessel is generated from the dynamic pressure of waves on the aft part of the bridge 11 and on the front walls of the cavities 8.

Эффективность волнового движителя при различных режимах волнения обеспечивается за счёт согласованного использования различных принципов преобразования энергии, формирования активных и реактивных движущих гидродинамических импульсов, возможности утилизации энергии волн на значительной площади, уменьшения сопротивления движению путём размещения устройства выше ватерлинии.The efficiency of the wave mover under various wave modes is ensured through the coordinated use of various principles of energy conversion, the formation of active and reactive driving hydrodynamic impulses, the possibility of utilizing wave energy over a large area, and reducing the resistance to movement by placing the device above the waterline.

Возможность осуществления технического результата подтверждается результатами численного моделирования. На фиг. 3 представлены кадры процесса движения судна на встречном волнении. Результаты расчётов показали, что при входе в волну с дифферентом на корму скорость снижается, а при сходе с волны с дифферентом на нос скорость увеличивается. При движении на попутном волнении скорость судна существенно возрастает и в отдельные моменты «захвата» волной приближается к фазовой скорости волны. Увеличению эффективности движителя способствует уменьшение килевой качки, которое можно достичь с применением формы корпусов судна с малой площадью ватерлинии.The feasibility of the technical result is confirmed by the results of numerical modeling. FIG. 3 shows the frames of the process of the vessel's movement in the oncoming waves. The results of calculations showed that when entering a wave with a trim to the stern, the speed decreases, and when descending from a wave with a trim to the bow, the speed increases. When moving on a passing sea, the speed of the vessel increases significantly and at certain moments of "capture" by the wave approaches the phase velocity of the wave. The increase in the efficiency of the propeller is facilitated by the decrease in pitching, which can be achieved using the shape of the ship's hulls with a small waterline area.

Claims

Wave propeller of a multi-hull vessel, which does not have moving parts and connections, in the form of a connecting bridge between the hulls, characterized in that the propeller is located above the waterline, has a sharp bow edge with an inclined forward section of the deck and a number of elongated transverse cavities, separated by walls and having a profile in the form a rounded rear wall at the top, a front wall with a slope at the bottom to the stern, a lower wide opening and an upper slotted opening.