Новые типы движителей для плавсредств

<< 1 2 3 >>

Ниже приведена одна из двух ученических опытно-конструкторских работ, являющихся продолжением исследовательских проектов «Почему летают птицы» и «Подводный кайт», содержание которых кратко изложено в статье «Полёты в воздушной и водной средах» («Физика» № 29/2004). Проекты были выполнены при технической помощи ОАО «Мика-Антикор» и представлялись на конкурсе «Ярмарка идей на Юго-Западе» в апреле 2005 г., где заняли первое место.

Ученический научно-исследовательский проект

Авторы: Дмитрий Краснопевцев, Алексей Шапкин.
Школа № 1273 ЮЗАО, 10 класс, Москва.
Тема работы: Новые типы движителей для плавсредств
Научный руководитель: Устюгина Галина Павловна, учитель физики.
Консультант: Устюгин Юрий Евгеньевич, физик, кандидат физ.-мат. наук.

Наши предыдущие исследования [1, 2] привели к мысли, что возвратно-поступательное воздействие знакопеременной силы на движитель определённой формы может привести к появлению силы тяги, поперечной к направлению воздействия, и высокоэкономичной работе движителя. Эти предположения мы проверяли методом физического моделирования: изготавливали соответствующие движители и приводы для них, создавали модели плавательных средств с двигательно-движительной системой и исследовали их работу. Выяснилось, что предлагаемые нами новые движители по экономическим показателям превосходят такой широко используемый для движения транспортных средств в воздухе, на воде и под водой, как винт.

1. Проблема экономичности

Рекордсмен подводного плавания – меч-рыба

Живая природа нередко ставит в тупик исследователей, преподнося различные «технические» загадки. Одна из них, над которой ломает головы не одно поколение учёных, – как многие морские животные, рыбы и дельфины умудряются двигаться в плотной воде со скоростями, порой недоступными даже для полёта в воздухе? Меч-рыба, например, развивает скорость до 130 км/ч; тунец – до 90 км/ч. Расчёты показывают: чтобы преодолеть сопротивление воды и набрать такую скорость, рыбе необходимо развить мощность автомобильного двигателя – порядка 100 л.с. Украинские учёные изготовили модель меч-рыбы, подвесили её на быстроходный катер и определили сопротивление среды и требуемую для движения мощность. В пересчёте на скорость и размеры рыбы модель испытывала сопротивление 4000Н (408 кгс) и требовала для своего движения мощности 100 л.с. (73,6 кВт)!

Энергию живые существа получают за счёт окислительных процессов. Но рыбы – существа холоднокровные, их температура ненамного выше температуры воды, в которой кислород, кстати, растворён в очень небольшом количестве. Такие мощности для них недостижимы! Остаётся предположить только одно: рыбы каким-то образом «умеют» очень сильно понижать сопротивление воды. Гипотезу, объясняющую этот феномен, выдвинул профессор Института теоретической и прикладной механики СО РАН В.И.Меркулов (г. Новосибирск) [3].

Tрадиционные движители для плавсредств

Существует четыре основных вида судовых движителей: водомётный, гребное колёсо, гребной винт и крыльчатый.

Водомётный движитель. Это, по существу, просто поршневой или центробежный насос, который засасывает воду через отверстие в носу или днище корабля и выбрасывает её через сопла в кормовой его части. Создаваемый упор (сила тяги) определяется разностью количеств движения (импульсов) струи воды на выходе и на входе движителя. Водомётный движитель был впервые предложен и запатентован Тугудом и Хейсом в Англии в 1661 г. Как и другие, предложенные разными изобретателями более поздние варианты, конструкция обладала низким КПД. Водомётный движитель применяется, когда низкий КПД компенсируется преимуществами в других отношениях, например, для плавания по мелководным или засорённым рекам.

Гребное колесо. Это широкое колесо с лопастями по периферии. В более совершенных конструкциях лопасти могут поворачиваться относительно колеса так, чтобы создавать нужную пропульсивную силу при минимальных потерях. Ось вращения колеса выше уровня воды, так что погружена лишь его небольшая часть, и в каждый данный момент времени только несколько лопастей создают упор. КПД гребного колеса, вообще говоря, возрастает с увеличением его диаметра, так что колёса диаметром 6 м и более – не редкость. Частота вращения большого колеса получается небольшой. Когда-то она соответствовала возможностям паровых машин, однако со временем машины совершенствовались, и малые обороты стали серьёзным препятствием – гребные колёса уступили место гребным винтам.

Гребной винт. Винт использовали ещё древние египтяне для подачи воды из Нила. Есть свидетельства, что в средневековом Китае для движения судов использовали винт с ручным приводом. В Европе винт в качестве судового движителя впервые предложил Р.Гук (1680 г.).

Корабельный винт

Размеры современных гребных винтов варьируются от 0,2 до 6 м и более. Мощность, развиваемая винтом, может составлять доли киловатта, а может превышать 40 МВт, соответственно частота вращения лежит в диапазоне от 2000 об/мин для малых винтов до 60 об/мин для больших. КПД хороших винтов может достигать 80%, однако на практике довольно трудно оптимизировать все основные параметры, поэтому на малых судах КПД обычно около 45%. Максимальный КПД достигается при относительном скольжении (отношение скорости движения судна к скорости перемещения движитекля.) 10–30% и быстро уменьшается до нуля при работе винта как в режиме швартовки, так и при больших оборотах [4].

Общий вид крыльчатого
двигателя

Крыльчатый движитель. Это диск, по периферии которого перпендикулярно плоскости диска размещены 4–8 лопастей-лопаток. Диск устанавливается заподлицо с днищем корабля, а в поток опускаются только лопасти. Помимо того что диск с лопастями вращается относительно своей оси, сами лопасти могут поворачиваться относительно своих продольных осей. В результате вода ускоряется в требуемом направлении и создаётся упор для движения судна. Такой тип движителя имеет преимущество перед гребным винтом и гребным колесом, поскольку упор может создаваться в любом желаемом направлении: вперёд, назад и даже вбок без изменения направления вращения двигателя. Для управления судном с крыльчатым движителем не требуется привычных рулей. Крыльчатые движители весьма эффективны в некоторых специальных случаях [5].

Крыльчатый движитель – пропеллер Воиса–Шнайдера с четырьмя лопастями.

Лопасти вращаются с ротором относительно центральной т. О в одном направлении с постоянной скоростью и связаны жёсткими штангами в т. N, которая не вращается вместе с ротором.

Если эта точка смещена относительно т. О, то угол атаки каждой лопасти по отношению к касательной к окружности изменяется по мере движения точки захвата лопасти по окружности.

Управление судном очень легко осуществляется смещением т. N: чем больше она удалена от оси вращения O, тем больше сила тяги пропеллера

Движитель типа «рыбий хвост».Природа постоянно демонстрирует человеку один из самых лучших и эффективных движителей – хвост рыбы, совершающий характерные визуально наблюдаемые колебательные движения. Соответствующим движителям придают форму, близкую к форме хвоста рыбы, и принуждают его совершать колебательные движения. Одним из примеров является разработка Г.А.Семёнова [6, 7]. Как он пишет, «...многим известен „парадокс Грея”: дельфин, развивая скорость 10 м/с, должен иметь мощность, в 10 раз большую им располагаемой. Из этого, на мой взгляд, следуют такие выводы: 1) современные плавсредства при мощностях, которыми они располагают, должны передвигаться со скоростями, хотя бы в несколько раз большими; 2) при неизменном запасе топлива плавсредство с таким же движителем, как у дельфина, обеспечит в 10 раз большую дальность плавания». В разработанной им модели катамарана с плавниковым движителем главной особенностью является клин, позволяющий повысить КПД. Однако, на наш взгляд, движитель Семёнова, как и другие аналогичные, является гребковым движителем, принципиально отличающимся от природного «рыбьего хвоста» и потому не способным достичь его КПД.

<< 1 2 3 >>