Войти

Перспективный судовой движитель – «машущий винт»

15 сообщений
№1
11.05.2013 12:38
Как ни странно, но как плавает рыба – не знают даже ихтиологи. Не в смысле как она машет хвостом, а какие процессы происходят вокруг хвоста. А среди исследователей-судостроителей столько же мнений по этому вопросу, сколько и самих исследователей.  Реальный пример – английский  естествоиспытатель Джеймс Грэй, изучая плавание дельфинов, пришел к «странному» выводу: дельфин, развивая скорость 10 м/с, должен иметь мощность в 10 раз большую, чем у него имеется. И эта «странность» известна как «парадокс Грея», до сих пор не разрешенная. Как объяснить тот факт, что меч-рыба, например, развивает скорость до 130 км/час в среде в 800 раз плотнее воздуха, когда на воздухе самое быстрое животное бежит со скоростью 120 км/час? Расчёты показывают: чтобы преодолеть сопротивление воды, равное 4000 Н, и набрать такую скорость, рыбе необходимо развить мощность автомобильного двигателя – порядка 100 л.с.  или 73,6 кВт! (это если считать по мощности для привода  винта).      А в воде, между прочим, кислорода мало, да и метаболизм у рыб не такой быстрый, как теплокровных животных. Тем не менее, скорости обитателей вод весьма внушительные – вот скорости плавания: дельфин –  15-18  м/с;  тунец – 25 м/с; рыба-меч – 35 м/с. Самая современная подводная  лодка с мощностью атомных двигателей в десятки тысяч киловатт  развивает  скорость лишь 15-16 м/с. Кстати, люди по сравнению со многими плавающими животными   преобразуют в поступательное движение только 3% наших усилий. Мы можем повысить нашу эффективность до 10-15%, если наденем ласты. Но дельфины, например, могут превратить 80% своей энергии в перемещение вперёд.
Тренированный  спортсмен, например, велосипедист, во время продолжительной гонки вырабатывает мощность, в среднем, 150 ватт, поэтому все попытки создать приводимое мускулами человека индивидуальное средство передвижения в воде,  движимое гребным винтом, обернулись неудачей. Даже тренированному спортсмену удавалось пройти только несколько десятков метров.
Еще один пример – кормовое весло. В юго-восточной Азии этот древний способ «юления» веслом позволяет одному человеку перемещать достаточно большие лодки без надрыва сил, и принцип такого «юления» имеет сходство с работой рыбьего хвоста.
Среди специалистов, считается, что гребной винт самый совершенный судовой движитель, но если верить  Грэйсу, то имеет смысл  переходить на плавниковые движители. И многие пытаются это сделать. Известны многочисленные попытки преодолеть недостатки гребных движителей  путём уподобления движителя   хвосту рыбы. В  базе Роспатента имеется много патентов машущих движителей, но, как правило, каждый из них полностью основан или сохраняет элемент возвратно-поступательного гребкового способа создания силы тяги. Привод механического плавника очень инерционный, и  при его перемещении из одного крайнего положения в другое, тратится большая мощность на преодоление сил инерции масс привода. Поэтому, мы посчитали, что махи должны совершаться во время кругового вращения лопастей во избежание затрат энергии на преодоление сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс. Опираясь на новый кинематический принцип, было найдено решение, при котором принцип маха не копирует слепо движение рыбьего хвоста. Выходом из положения явилось  придание специального  вращательного движения машущей лопасти. Таким образом, сохраняется энергия вращательных масс, резко снижаются энергетические затраты на привод и тем самым поднимается эффективный КПД. Лопасть машущего винта, движущаяся поступательно по кругу, всегда находится в невозмущенной – ламинарной среде, отчего эффективность её работы выше. Возможно, что путем введенного в  кинематическое звено упругого элемента, действующего в диапазоне нескольких градусов,  появится возможность обеспечить мягкость хода и бестурбулентный след. Благодаря этому также решится вопрос автоматической корректировки угла атаки (натекания) на профиль лопасти и оптимального использования приводной нагрузки.
Эффективность гребного винта зависит только от возможностей массопереноса. В   машущем винте отсутствует массоперенос и принцип создания тяги состоит в скольжении лопасти по клину воды. Это равносильно тому, как если бы сравнивать эффективность человека, движущегося пешком и скользящего на коньках – усилия   одинаковые, а результат меняется в разы.
Следовательно, применение машущего движителя позволит либо уменьшить мощность силовых установок и тем самым сэкономить топливо на передвижение, либо в несколько раз увеличить дальность плавания, либо при тех же мощностях силовых установок позволит передвигаться со скоростями  в несколько раз большими.
Наши «партнеры» из США уже давно интересуются движителями на принципе рыбьего хвоста. Уже изобретены роботы в виде тунца и других рыб, а Научно-исследовательское агентство Пентагона DARPA разработало для спецподразделения "Морские котики" (Navy SEALs) специальный плавник PowerSwim, который  позволяет увеличить скорость передвижения боевого пловца под водой в полтора раза без применения двигателей.
Плавник PowerSwim очень  эффективен, т.к. даже обычные люди могут плавать заметно быстрее и дальше, тратить меньше энергии и кислорода. Человеку, который им пользуется, необходимо лишь немного сгибать тело и ноги. Движение крыла вверх-вниз, создаёт вихри, которые проталкивают его вперёд. Новое устройство подражает действию плавников рыб, млекопитающих и водоплавающих птиц. Их плавники движутся по синусоидальной траектории. Волнообразные движения крыла PowerSwim  происходят за счёт сгибания коленей, которое через рычаги передаётся оси крыла. Такой способ создания движущей силы ещё более эффективен из-за того, что крыло находится, в отличие от ласт, вне кильватерного следа, начинающегося у плеч пловца.
А устройство для плавания «Трампофойл» или «Pumpabike» с такой же системой динамического поддержания, но с плавниковым  приводом, позволяет любому человеку, даже нетренированному, двигаться по воде на много дольше винтового варианта  с максимальной скоростью до 16 км/час. Для специалиста этот факт говорит о многом.
Машущий винт  предназначен для замены гребных винтов на плавсредствах.  Суть изобретения состоит в том, что на нескольких осях, установленных по конусу вокруг ступицы, установлены крестообразные лопасти. Оси вращаются по конусообразной поверхности вокруг ступицы в одну сторону, а сами крестообразные лопасти на осях в другую, при этом соблюдается «парадокс Фергюсона».  Вращение лопастей обеспечивает шестеренчатый редуктор, который согласовывает вращение ступицы и лопастей в соответствии с необходимым законом движения, что дает лопастям поступательное перемещение вокруг оси вращения ступицы и осуществление махов при любой их ориентации и  во всех направлениях вокруг оси вращения ступицы. Предлагаемое  техническое решение позволяет относительно легко соединить вращательное движение ступицы винта и махи лопастей таким образом,  который позволит осуществлять маховые движения лопастей без замаха и без входа лопастей в сектор торможения, постоянно меняя вектор приложения силы, что кардинально эффективнее любых других способов махового движения. Т.о. махи одновременно проходят как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях (т.е. они работают как хвосты акулы и дельфина одновременно). Данное свойство раскрывает огромные перспективы по созданию движителей с прогрессивными характеристиками, простыми по конструкции и высокоэффективными в применении. В связи с этим можно предположить, что машущий винт позволит кардинально повысить эффективность, обеспечит исключительную малошумность надводного и подводного движения.
Надо отметить, что машущий винт в производстве гораздо проще гребного винта. У него пока один недостаток – он не изучен.
На данное изобретение получено решение о выдаче патента. Изготовлен опытный образец.
0
Сообщить
№2
15.05.2013 12:25
Цитата
Расчёты показывают: чтобы преодолеть сопротивление воды, равное 4000 Н
Подскажите, а в этих расчётах учитывается то, что дельфин, например, может за счёт складок кожи генерировать местную кавитацию и "сопротивление воды" значительно снижается?
0
Сообщить
№3
15.05.2013 13:53
Приведенная цифра касается рыбы-мечь, по поводу дельфинов  - действительно такой эффект наблюдается, но это не генерация складок дельфином, а, скорее, адаптация его кожи, т.к. нечто аналогичное наблюдается даже у человека, если его тащить на буксире (где-то в интернете даже фото есть). Неясного в этом вопросе много и исследовать процесс неоходимо.
0
Сообщить
№4
16.05.2013 14:37
Это я к тому, что просто так утверждать, что для движения в воде рыб или животных требуется бешенная мощность нельзя. Для корректного расчёта потребной мощности необходимо учесть ещё кучу других факторов.
0
Сообщить
№5
16.05.2013 15:40
Кавитационные эффект создаваемый на поверхности чешуек по всей поверхности тела у рыб, а у дельфинов кожа при бизком рассмотрении совсем даже не гладкая, а бугристая - весь секрет.
Без чешуек рыба от дельфина не смогла бы убежать, т.к. сопротивление воды не дало бы.

Так что дело не в машущем винте, а в создании микрокавитации по всей поверхности подводной лодки либо использование иного физического принципа - генерировать магнитное поле, но это пока из области фантастики.
+1
Сообщить
№6
16.05.2013 16:49
Чешуя - это защитный слой, у некоторых рыб  вообще чешуи нет, что не мешает им процветать. А трение о воду  рыба снижает выделением слизи, а вовсе не кавитацией, да и счего бы её взяться? Для образования  кавитации нужно пониженное давление, да и схлопывание пузырьков есть деструктивный процесс.
0
Сообщить
№7
19.05.2013 20:57
Я конечно не владею матаном в таком объеме, как многие здешние комментаторы) но мне кажется, что
1)отношение площади движущейся части у рыбы к площади всей рыбы намного больше, чем площади гребного винта к площади лодки
2)плывущая рыба не только машет хвостом, но работает всем телом, в результате чего при каждом взмахе приобретает наиболее гидродинамически целесообразную форму, "проскальзывая" между слоями воды вперед (т.е. опорные поверхности, опять же, не только хвост, ибо при машущих движениях должны быть боковые нагрузки)
3)механизм, имеющий в основе возвратно-поступательные движения вместо вращательных, всегда буде сложнее(=менее надежным), дороже, возможно, более шумным.
+2
Сообщить
№8
04.01.2016 23:56
Цитата, q

Чортъ
77 №5
16.05.2013 14:40
Кавитационные эффект создаваемый на поверхности чешуек по всей поверхности тела у рыб, а у дельфинов кожа при бизком рассмотрении совсем даже не гладкая, а бугристая - весь секрет.
Без чешуек рыба от дельфина не смогла бы убежать, т.к. сопротивление воды не дало бы.

Так что дело не в машущем винте, а в создании микрокавитации по всей поверхности подводной лодки либо использование иного физического принципа - генерировать магнитное поле, но это пока из области фантастики.
      Почему вы путаете кавитацию с завихрениями,это разные области физики,у рыб орзуются очень мелкие завихрения,и слой воды около этих завихрений скользит уже по воде,а не по чешуе,и коже,благодря этому исчезает сопротивление трения,этот эффект известен уже давно,никак не пойму причем сдесь кавитация(образовние пузырей воздуха в воде,при движении объекта выше скорости звука в водной среде)?
-1
Сообщить
№9
05.01.2016 05:59
Цитата, ash
Подскажите, а в этих расчётах учитывается то, что дельфин, например, может за счёт складок кожи генерировать местную кавитацию и "сопротивление воды" значительно снижается?

Плюс к тому дельфин за полчаса быстрого движения расходует около 1кг смазывающей слизи. Акула - около 4кг.
0
Сообщить
№10
05.01.2016 16:27
Цитата, q


1424 №9
Сегодня в 05:59
Цитата, ash
Подскажите, а в этих расчётах учитывается то, что дельфин, например, может за счёт складок кожи генерировать местную кавитацию и "сопротивление воды" значительно снижается?

Плюс к тому дельфин за полчаса быстрого движения расходует около 1кг смазывающей слизи. Акула - около 4кг.
          Ну вот опять кавитация,я так понимаю,вся фауна мирового океана передвигается выше скорости звука, ракету "Шквал" обгоняют в разы ?)))))))))
0
Сообщить
№11
05.01.2016 16:45
Цитата, Т-70
Ну вот опять кавитация,я так понимаю,вся фауна мирового океана передвигается выше скорости звука?)))))))))
Нет и им до этого (1500 м/с) ещё далеко. Честно говоря иронию Вашу совсем не понял. Есть что сказать про кавитацию, дельфинов и, например, провести расчёт мощности привода дельфина?
Цитата, Т-70
кавитация(образовние пузырей воздуха в воде,при движении объекта выше скорости звука в водной среде)
Это утверждение неверно.
Цитата, q
Необходимо подчеркнуть, что кавитация в основном образуется на кромке срыва при переходе ламинарного течения жидкости, или их смесей, в турбулентное течение.
Вот здесь http://studopedia.ru/2_124712_vidi-kavitatsii-stadii-ee-razvitiya-i-posledstviya-v-gidromashinah.html чуть подробнее.
Ну и в вики https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F
Обратите внимание на характеристику - число кавитации. Если Вас не затруднит, можете посчитать число кавитации на глубине 10 м, а потом сравнить с Вашим высказыванием относительно скорости звука в воде.
0
Сообщить
№12
05.01.2016 17:07
Цитата, q
Нет и им до этого (1500 м/с) ещё далеко. Честно говоря иронию Вашу совсем не понял. Есть что сказать про кавитацию, дельфинов и, например, провести расчёт мощности привода дельфина?Нет и им до этого (1500 м/с) ещё далеко. Честно говоря иронию Вашу совсем не понял. Есть что сказать про кавитацию, дельфинов и, например, провести расчёт мощности привода дельфина?
        Сказать могу одно,эту тема уже давно изучена,нет пузырей,кавитации,а есть мини завихрения,вокруг неровностей кожи,которые ликвидируют сопротивление трения,как класс,от себя добалю,в Советском ВПК в конце 80-х,начале 90-х в авиа строении пытались сделать обшивку крыльев с таким же эффектом,но Союз рухнул,и эта тема просто ждет своего часа. Кстати из этой же темы:воздушная смазка движущихся частей.Еще раз подчеркиваю,разная физика,и она изучена в отношении фауны морей.
       Насчет кавитации,каюсь не прав,и да не владею информацией,что дельфины например создают кавитацию,и именно за счет кавитации  
Цитата, q
Плюс к тому дельфин за полчаса быстрого движения расходует около 1кг смазывающей слизи. Акула - около 4кг.
. Со всем уважением скиньте ссылку на такую инфу.
-1
Сообщить
№13
05.01.2016 19:48
Цитата, Т-70
Со всем уважением скиньте ссылку на такую инфу.

Емнип, читал лет 15, если не 20 назад, по теме применения ПАВ для снижения сил трения ПЛ.
Тогда же у меня исчезли недоумения по поводу энергетики жителей моря, окказывается, 95% времени они ведут возможно наиболее спокойный образ жизни и расходуют ресурс только на всякую охоту с собирательством.

Зы. А вы возьмите любую даже ручьевую уклейку - она склизская.
0
Сообщить
№14
05.01.2016 19:56
Цитата, q
Емнип, читал лет 15, если не 20 назад, по теме применения ПАВ для снижения сил трения ПЛ.
Тогда же у меня исчезли недоумения по поводу энергетики жителей моря, окказывается, 95% времени они ведут возможно наиболее спокойный образ жизни и расходуют ресурс только на всякую охоту с собирательством.
             С одной стороны все правильно,просто,я например тоже читал еще с середины 80-х,и у меня тоже отпали вопросы по энергетике жителей моря,вот только не было в тех статьях кавитации,были мини завихрения вокруг шерховатостей кожи фауны морей. Опять же может,я что и пропустил,я искренне с радостью прочитал бы о ковитации у представителей фауны моря.
0
Сообщить
№15
05.01.2016 20:05
В воде устойчивы более крупные турбулентности чем в воздухе.
Максимальное животное, которое способно летать на градиенте давлений в границе турбулентного потока в воздухе - это что-то с полуметр, а в воде - метров до 10-15.
Но 10-15 это никак не ПЛ. Хотя бы 25.
Да и прочный корпус делать подвижно-сочлененным - все будет "ссать" со всех щелей и испытывать очень большие перегрузки под давлением.
0
Сообщить
Хотите оставить комментарий? Зарегистрируйтесь и/или Войдите и общайтесь!
  • Обсуждаемое