Несколько слов об идеальном движителе, гребле, и идеальном паруснике.
1. Введение
История, послужившая причиной появления настоящей статьи, началась с просьбы моего знакомого спроектировать гребной винт для его бота, чтобы тот развивал максимальную скорость. В процессе проектирования выяснилось что, оптимальный диаметр винта получается больше максимально возможного, определяемого конструкцией корпуса бота. К тому же бот должен был ходить с грузом и без груза, при этом менялась нагрузка на винт, а оптимальные диаметры винта получались разными для разных случаев водоизмещения бота.
Вообще увеличение диаметра винта соответствует увеличению площади гидравлического сечения движителя судна (проекция площади, ометаемой движителем, на плоскость перпендикулярную продольной оси судна). Есть такая теория идеального движителя, из которой следует, что КПД движителя увеличивается при уменьшении отношения упора, создаваемого движителем к его площади гидравлического сечения, то есть КПД растет с увеличением площади гидравлического сечения. Так как площадь увеличивать ни вверх, ни вниз нельзя было, оставалось увеличивать её в бок к бортам. Лопасть винта – это закрученное крыло, которое вращается вокруг оси винта, а если бы крыло перемещалось поперек набегающего потока с борта на борт тогда площадь гидравлического сечения движителя намного увеличилась, что привело бы к повышению КПД движителя. То есть крыло должно двигаться хотя бы возвратно-поступательно см. рис 1.
Рис. 1
А возвратно-поступательное движение крыла почти идеально сочетается с возвратно-поступательным движением поршня двигателя внутреннего сгорания. При этом отпадает необходимость в кривошипно-шатунном механизме ДВС, так как поступательное движение не надо преобразовывать во вращательное. Простейший вариант приведен на рис.2
Рис.2
1-цилиндр ДВС, 2- поршень, 3-шток,на котором крепится крыло, 4- упорно-направляющие подшипники, 5-крыло, 6- механизм изменения угла атаки крыла.
2. Гребля
Однако реализовать эту идею для механического двигателя с вращающимся валом довольно затруднительно, механизм будет громоздким. Однако существуют довольно распространенные возвратно - колебательные движения – это перемещения лопасти весла при гребле, только грести надо поперек продольной оси лодки. Для удобства изгибаем веретено весла примерно под прямым углом, и в лодке можно садиться лицом вперед см. 3.
Рис.3
Лопасть весла выполняется крыльевого профиля и крепится вертикально на оси, перпендикулярной веретену. К веретену крепятся ограничители угла поворота лопасти для задания угла атаки крыла. Тут вспоминается винт регулируемого шага ВРШ и для полного удовольствия на весле устанавливается механизм изменения угла атаки крыла, что вдобавок позволяет получить задний ход.
В итоге получается весло с лопастью регулируемого шага - ВесРШ.
Кроме всего прочего у такого весла оба хода (вправо, влево) – рабочие, в отличие от традиционного способа гребли. Как сказала одна знакомая дама, которая немного занималась народной греблей на ялах, что ее всегда удивляло, так это почему при гребле надо поднимать весла.
Автором изготовлены и испытаны весла регулируемого шага, получен положительный результат.
Вариант конкретного исполнения представлен на рис.4:
Рис. 4
ВесРШ содержит изогнутое веретено 1 с рукояткой 2 , уключиной 3, втулкой 4, осью 5, лопастью 6 с профилированным сечением, выдвижной частью лопасти 7, рычагом 8.
ВесРШ содержит механизм, регулирующий угол атаки лопасти, например, в виде колес 9 с упорами 10, ограничивающим отклонение лопасти 6, которые приводится при помощи тросиков 11 от шкива 12, закрепленного на одном валу 13 с рукояткой 2, колеса 9 соединены между собой валом 14.
ВесРШ содержит механизм выдвижения лопасти, например, в виде тросика 15, проходящего через направляющие блоки16, который одним концом крепится к выдвижной части лопасти 7, а другим концом с петлей 17 надевается на штыри 18
ВесРШ действует следующим образом.
В исходном положении весла уключина 3 входит в отверстие в борту лодки, упоры10 повернуты в положение переднего или заднего хода посредством рукоятки 2, вала 13, шкива 12, тросика 11, колес 9 на валу14. В момент движения рукоятки 2 веретено 1 перемещает втулку 4 в сторону, лопасть 6, встречая сопротивление воды, отклоняется, поворачиваясь на оси 5 совместно с рычагом 8 пока тот не упрется в упор10. Затем лопасть 6, продолжает движение под определенным углом к набегающему потоку под действием веретена 1.На лопасти 6, имеющей в поперечном сечении крыльевой профиль, возникает подъемная сила, которая через втулку 4 и упор 10 через веретено 1 и уключину 3 передается лодке, которая получает импульс движения.
В зависимости от нагрузки лодки и усталости гребец устанавливает оптимальный угол атаки лопасти 6 по отношению к набегающему потоку поворотом рукоятки 2. При повороте рукоятки 2, поворачивается вал 13 совместно со шкивом12, от которого посредством тросика11 поворачиваются колеса 9 с валом 14.
Упоры 10, установленные на колесах 9, перемещаются, изменяя угол перекладки рычага 8 и лопасти 6.
В зависимости от нагрузки лодки, усталости и глубины под лодкой гребец устанавливает оптимальную площадь весельного движителя, опуская под собственным весом или поднимая выдвижную часть лопасти 7 за тросик 15, проходящий через блоки 16, фиксируя выдвижную часть лопасти 7 надеванием петли 17на один из штырей 18.
Вообще-то такой способ гребли не совсем соответствует анатомии человека, однако есть варианты повышения удобства гребли за счет введения дополнительных устройств. Например, накопление энергии при тяге весел на себя, и последующей отдаче накопленной энергии при толкании весел от себя, накопитель в виде резиновой ленты или пружины. При тяге весел на себя – повышенные затраты сил и отдых при толкании весел от себя. Вообще существует большое разнообразие этих самых накопителей и на основании опыта можно подобрать самый оптимальный. Так как скорость поперечного перемещения лопасти желательно максимально увеличивать, а махать руками получается лишь с ограниченной скоростью, то можно в веретено вмонтировать повышающий редуктор.
Тему ВесРШ можно развивать и развивать: можно грести вдвоем, сидя друг против друга, можно лопасти закрепить на штанге поперек лодки ,и толкать справа налево и наоборот, и т.п. и т.д. В общем нет предела совершенству, однако взглянем с другой стороны – снизу.
3 Веслопед
Такие весла можно приводить в возвратно- колебательные движения и ногами. Вместо ручек веретена устанавливаются упоры для ног с педалями. Простейший вариант получится, если все это поставить на катамаран. По аналогии с велосипедом (быстрый и ноги) конструкцию обзовем – ВЕСЛОПЕД (весло и ноги) см. рис 5.
Рис. 5
Или по другому. Под днищем обычной лодки устанавливается уменьшенная аналогичная конструкция с валом, проходящим в трубе через днище, упоры для ног крепятся к валу выше трубы. Правда, там желательно уменьшить длину веретена весла, а для компенсации потери скорости поперечного перемещения лопасти установить повышающий редуктор.
Получится вот такой крыльчатый колебательный движитель рис.5
Рис. 6
А можно крыльчатый колебательный движитель установить за кормой лодки, лопасти двигаются возвратно-поступательно в направляющих от ножного или ручного привода с редуктором рис.7
Рис. 7
Можно грести и руками и ногами.
Такой способ гребли так же не совсем соответствует анатомии человека, однако есть варианты повышения удобства гребли за счет введения дополнительных устройств. Так как скорость поперечного перемещения лопасти желательно максимально увеличивать, а махать руками, да и ногами тоже получается лишь с ограниченной скоростью, то можно установить повышающий редуктор.
Эту тему тоже можно развивать и развивать, так же нет предела совершенству, однако взглянем с другой стороны – сверху.
4. Идеальный парусник
К сожалению, определения идеального парусника в литературе и в Интернете я не нашел (пусть простят меня, если я плохо искал), поэтому осмелюсь предложить свое определение.
Идеальный парусник- судно с парусами, которое может идти при наличии ветра в любом направлении как относительно направления ветра, так и относительно диаметральной плоскости судна.
Крыльчатый колебательный движитель имеет одну особенность – это обратимая машина, то есть она может производить механическую работу, используя энергию, а может производить энергию, используя работу потока, в частности воздушного, то есть ветра.
Посмотрим как работает такой крыльчатый колебательный ветродвигатель, простейший вариант показан на рис.8
Рис.8 Y
Крыльчатый колебательный ветродвигатель состоит из вертикального вала 1, проходящего через подшипники 2, установленные на фундаменте 3, горизонтального коромысла, закрепленного на верху вала 1, на концах коромысла имеются подшипники 5, в которые вставляются вертикально оси 6 лопасти 7, на концах коромысла 4 установлены регулируемые ограничители 8 поворота лопасти. На фундаменте установлен регулируемый ограничитель 9 поворота коромысла с упорами 10, ограничивающими угол колебания коромысла. На фундаменте крепится привод 11 регулируемого ограничителя поворота коромысла. К фундаменту крепятся тяги 12 для перекладки лопастей.
Крыльчатый колебательный ветродвигатель работает следующим образом.
Коромысло 4 устанавливается вдоль направления ветра при помощи привода 11 регулируемого ограничителя поворота 9.
Лопасть 7 устанавливается под углом к ветру (к примеру - вправо), упираясь в ограничитель 8 поворота лопасти. На лопасти 7, имеющей в поперечном сечении крыльевой профиль, возникает подъемная сила Y, которая поворачивает коромысло 4 до упора 10 на регулируемом ограничителе 9 поворота. При приближении к упору 10 тяга 12 для перекладки лопастей натягивается и производит перекладку лопасти под уголом к ветру – влево. Возникает подъемная сила Y противоположного направления, которая поворачивает коромысло до противоположного упора на регулируемом ограничителе поворота коромысла. Дальше аналогично перекладывается лопасть и происходит колебательное движение коромысла с валом.
Крутящий момент от вала крыльчатого колебательного ветродвигателя через муфту и редуктор (в случае необходимости) передается на судовой движитель любого типа.
Наиболее оптимальным сочетанием для крыльчатого колебательного ветродвигателя будет крыльчатый колебательный движитель – такой крыльчатый двигательно- движительный комплекс рис. 9.
Рис. 9
При этом ветродвигатель разворачивается независимо от судна вдоль направления ветра таким образом, чтобы отношение подъемной силы лопасти-крыла к силе сопротивления (качество крыла) было бы максимальным, а крыльчатый колебательный движитель разворачивается для создания упора в нужном направлении. Судно может двигаться вперед, назад, даже лагом, то есть в любую сторону независимо от ветра !!!
При достаточно малом воздушном сопротивлении судно может идти против ветра, что возможно для ветроходов (см. книгу Ю.С. Крючкова и И.Е. Перестюка «Крылья океанов»).
Образно говоря, лавировка судном заменяется лавировкой лопастью-крылом (в принципе парус- тоже крыло), и лопастью может парус любой формы. В настоящей статье рассматривается крыльевой профиль для простоты понимания.
Ветер дует относительно судна с разных направлений и с различной силой.
При ветре относительно курса судна галфвинд и бакштаг ветродвигатель и движитель стопорятся, лопасти разворачиваются как парус-крыло, или служат поворотной мачтой крыльевого профиля для парусов,в случае, если навесить внизу гик можно поставить грот, можно также поставить и стаксель. Лопасти движителя разворачиваются вдоль ДП и выполняют роль килей, а так как управляемы, то можно их слегка развернуть для уменьшения крена и дрейфа см. рис. 10
Рис. 10
При относительно сильном ветре крыльчатый колебательный ветродвигатель при соответствующем развороте лопастей и полных оборотах после убирания ограничителей поворота может работать как ротор Дарье. Соответственно и крыльчатый колебательный движитель после соответствующем разворота лопастей и полных оборотах после убирания ограничителей поворота будет работать как обычный крыльчатый движитель см. рис. 11
Рис. 11
Конечно, крыльчатый колебательный ветродвигатель в режиме колебаний будет испытывать большие инерционные нагрузки и может получиться тяжелым, для облегчения его необходимо использовать современные композитные материалы с высокими весовыми и прочностными характеристиками, то есть те, которые используются для рекордных яхт и пропеллеров ветродвигателей. Для уменьшения нагрузок на ветродвигатель верхушки лопастей соединяются канатом или стержнем крыльевого сегментного профиля, на котором при обдуве ветром возникнет подъемная сила, что улучшит остойчивость судна.
Встает вопрос, не проще ли в качестве ветродвигателя использовать обычный пропеллер с передачей на обычный винт? Однако ось пропеллера необходимо поднимать, чем выше, тем лучше, что влечет за собой повышение центра тяжести судна и, соответственно, уменьшение остойчивости, а в этом случае лопасти крыльчатого колебательного движителя сыграют роль балласта.
В итоге получился парусник - ветроход, который при любом ветре идет в любом нужном направлении, и даже лагом. В настоящей статье изложены идеи, частично реализованные, технически обоснованные, но в еще большей мере требующие доработки и развития. Это всего лишь шаг в использовании ветра для движения судов.
Можно еще добавить, варианты телескопических лопастей, как на ветродвигателе, так и на движителе, а движитель может вообще убираться в корпус, в общем, тут можно совершенствовать и совершенствовать.
Александр Кудряшов
Несколько слов о себе: Кудряшов Александр Алексеевич
Закончил корфак Горьковского политеха в 1975г по специальности судостроение. Затем почти все время проработал конструктором на судоремонтном заводе
Прикрепленные изображения