Рыбий хвост



Самые быстрые на Земле существа проживают в воде, в среде, перемещение в которой из-за
сопротивления гораздо труднее, чем в воздухе. Так, для того, чтобы водоизмещающее (не глиссирующее) судно увеличило свою скорость вдвое, потребуется затратить в 10 - 30 раз большую энергию. В то время как для авто или вертолёта затраты энергии придется увеличить в три - четыре с небольшим раза.

И вот что странно: физики-гидродинамики считают, что щука не может совершать своих стремительных бросков за добычей - у неё для развития такой скорости не хватит энергии. Правда, щука этого не знает, иначе бы вымерла с голоду.

Чемпионом по скорости среди жителей Земли справедливо считается дельфин. Он может развивать
скорость около 200 км/час.

Движителем дельфина является хвост. Такой же, что и у щуки, только горизонтальный - дельфину нужно быстро всплывать на поверхность за воздухом. Так почему же этот хвост гораздо более эффективен, чем винт?

Плоскость винта нормально расположена к направлению движения - потоку. Поэтому винт обладает
заметным собственным сопротивлением потоку. Поток, создаваемый винтом, резко турбулентен - винт вращается с большой скоростью поперёк направления движения.
В потоке, отбрасываемом винтом, образуется кавитация - каверны. Кроме того, часть энергии винта расходуется на создание звука. И только 10 - 15 % энергии винта затрачивается на прямолинейное перемещение.

Рыбий хвост или дельфиний самой природой обкатан и лучший вариант приспособлен к жизни в воде - перемещению с оптимальными затратами энергии.

А что, если попытаться приспособить его к перемещению человека в воде?

Рыбий хвост на ощупь явно упруг и имеет мощные мышцы. Вспомните, хотя бы скумбрию – жёсткие, твёрдые мышцы следуют сразу за плавником, который представляет собой упругую пассивную пластину. Плавник же дельфина, более скоростного существа, чем рыба, а, значит, более приспособленного к перемещению в воде, полностью состоит из мышц и сухожилий. То есть, его жёсткость и упругость могут меняться в зависимости от желания животного.

И ещё одна характерная деталь: как рыба, так и дельфин при движении отклоняют туловище от
оси движения. Рыба – по горизонтали, дельфин – по вертикали, в полном соответствии с перемещением хвоста. Это означает, что хвост имеет холостой ход, как бы «замахивается» перед толчком о воду. На самом деле, этот «замах» состоит в том, что туловище водоплавающего после отталкивания хвостом перемещается в сторону, противоположную отталкивания, и оказывается под небольшим углом к направлению движения. Затем, мышцы хвоста плавно переносят его на линию с
туловищем, но хвост при этом из-за сопротивления воды изгибается, оказываясь в положении «замаха» для следующего гребка. Мышцы снова напрягаются, и жёсткий хвост производит гребок, отталкивая воду назад и в сторону. И цикл повторяется.

Ну, что же, эластичную оболочку с полостью в виде рыбьего хвоста создать возможно. А роль
переменной жёсткости мышц может сыграть жидкость в полости, если менять в ней давление. Вы видели, как распрямляется и становится жёстким, как палка пожарный шланг, когда в него подаётся под давлением вода? Точно так же можно сделать искусственные мышцы жёсткими, напряжёнными, а можно, сняв давление, их расслабить. Так всегда при движении и работают мышцы, то напрягаясь, то расслабляясь.

Разумеется, чтобы судно не рыскало, необходимо использовать горизонтально расположенный плавник - "дельфиний" хвост.



СПОСОБ ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И УСТРОЙСТВО "Рыбий хвост"
ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к судостроению, к движителям колебательного типа. Способ заключается в том, что в рабочем органе в виде гибкой оболочки с полостью в последней создают давление, равное давлению во внешней среде, а в моменты наибольшего отклонения оболочки давление в ней
повышают. Для реализации способа плавник соединяют с приводом, выполненным в виде последовательно соединенных патрубков, регулятора давления и румпеля.
Регулятор давления может быть выполнен в виде цилиндра с сильфонами на торцах, а само устройство может размещаться в камере прямоугольного сечения с открытыми торцами. Использование изобретения повышает КПД и маневренность движителя, сохраняя его простоту.

Изобретение относится к судостроению, а точнее — к движителям с колебательным движением.

Известен способ движения судна по авт. свид. СССР № 1813672 кл. В 63 Н 1/36, 1993.

Этот способ заключается в том, что гибкий плавник с гофрированной поверхностью, внутри которого имеется два ряда продольных полостей, расположенных симметрично относительно плоскости симметрии плавника и снабженных управляемыми клапанами, изгибают путем создания
избыточного давления в одном из рядов полостей и, меняя последовательно в каждом ряду полостей давление на противоположное, изгибают последовательно плавник в обе стороны, создавая колебательные смещения.

Недостатки этого способа следующие.
Угол отталкивания при изгибании плавника близок к нормали по отношению к направлению перемещения судна, то есть, полезная составляющая создаваемой силы тяги мала.

Наличие гофра на поверхности плавника увеличивает сопротивление движению за счет увеличения поверхности соприкосновения с водой и препятствия ламинарному обтеканию поверхности.

Известен механический эластичный ласт (заявка GB № 2181102, кл. В 63 Н 1/36, 1987). Известное устройство содержит эластичный ласт, присоединенный к приводу, который через шарнир сообщает ласту полувращательное возвратно-поступательное движение, перемещая переднюю кромку ласта по дуге.

Недостаток устройства — невысокие эксплуатационные характеристики ввиду неопределенности изменения амплитуды колебаний по длине ласта, а также невысокая по сравнению с затратами сила тяги,создаваемая таким перемещением ласта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ перемещения судна по авт. свид. СССР № 484129 кл. В 63 Н 1/36, 1975).

Этот способ заключается в том, что рабочему органу, представляющему собой гибкую оболочку из эластичного материала в виде плавника с двумя рядами полостей в передней кромке, по одному ряду с каждой стороны плавника, придают возвратно-поступательное перемещение по дуге и
меняют давление последовательно в каждом ряде полостей так, что формируется поверхность крыла то одной стороны плавника, то другой, в зависимости от направления перемещения плавника, создавая подъемную силу, составляющая которой совпадает с направлением движения судна.

Движение плавника в течение одного цикла колебания представляет собой синусоиду, причем в крайних точках синусоиды плавник движется по инерции (холостой ход), а тяга формируется на наклонных сторонах синусоиды. Давление и объем жидкости в камерах по одной стороне
плавника увеличивают, а по другой стороне плавника снижают до момента смены направления
движения плавника, то есть до момента достижения максимального отклонения, после чего давление и объем в этих камерах меняются на противоположные до достижения плавником другого крайнего положения синусоиды.

Недостатки этого способа следующие.
Подъемная сила, воздействующая на плавник, зависит от скорости набегающего потока, поэтому необходимая сила тяги развивается очень медленно.
Полезная составляющая силы тяги весьма невелика, так как подъемная сила прикладывается в направлении, близком к ортогональному к направлению движения судна.
Невозможен мгновенный реверс, то есть быстрая смена направления полной тяги на противоположное, так как при повороте плавника на 180 набегающий поток не создаст подъемной силы.
Предлагаемый способ лишен вышеуказанных недостатков за счет того, что плавнику, представляющему собой гибкую оболочку с полостью, заполненной жидкостью, придают возвратно- поступательные перемещения, ортогональные направлению движения транспортного средства, например судна, и на время перемещения плавника создают в полости минимальное давление, а в моменты максимального отклонения плавника создают высокое давление, причем чем линейная скорость перемещения плавника выше скорости набегающего потока, тем эффективнее способ. Таким образом, во время перемещения плавника ортогонально набегающему потоку, давление в его полости минимальное (близкое давлению во внешней среде), и жесткость плавника определяется жесткостью его гибкой оболочки. Поэтому при перемещении в воде плавник изогнется таким образом, чтобы оказывать минимальное сопротивление перемещению, то есть в сторону, противоположную направлению перемещения. В положении крайнего отклонения плавника в полости повышают давление жидкости, что вызовет спрямление плавника, так как повышение давления вызовет увеличение объема полости и, соответственно, увеличение жесткости плавника. Плавник, распрямляясь, отталкивает внешнюю среду, сообщая судну момент движения.
Оптимальным углом отталкивания является угол 180 к направлению движения судна. Чем выше скорость перемещения плавника, тем оптимальнее угол отталкивания, тем выше полезная составляющая энергетических затрат на перемещение судна.

Кроме того, способ позволяет осуществить мгновенный реверс, повернув плавник на 1800.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство по авт. свид. СССР № 484129 кл. В 63 Н 1/36, 1975).
Недостатки устройства состоят в следующем. Полезная составляющая силы тяги, возникающая при работе устройства, невелика, так как подъемная сила прикладывается в направлении близком к
ортогональному к направлению движения судна. Кроме того, подъемная сила, воздействующая на плавник, зависит от скорости набегающего потока. Поэтому необходимая сила тяги развивается медленно и поэтому же невозможен мгновенный реверс, так как при повороте плавника на 1800 набегающий поток не создаст подъемной силы.

Предлагаемое устройство, содержащее гибкую оболочку в виде плавника с полостью, заполненной жидкостью, причем один конец плавника свободен, а другой присоединен к приводу, и плавник шарнир закреплен на транце транспортного средства, на котором расположены ограничители перемещения привода, лишено вышеуказанных недостатков и обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики за счет того, что оно содержит плавник, выполненный из гибкой оболочки с полостью, повторяющей форму оболочки, которая через полый привод сообщается с устройством регулировки давления.

В предлагаемом устройстве все элементы работы движителя фаза, амплитуда и скорость перемещения, доступны регулированию. Так, например фаза — начало механического перемещения плавника или начало его спрямления всегда задаются и контролируются при работе движителя, амплитуда — отклонение плавника от оси движения, и скорость перемещения плавника также задаются оператором.

Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик.

Это достигается тем, что используется рабочий орган, представляющий собой гибкую оболочку в форме рыбьего хвоста (плавника), с полостью, близкой по форме к оболочке и заполненной жидкостью, один конец которого свободен, а другой совершает колебательные перемещения
относительно осевой плоскости оболочки, с синхронным изменением давления в полости, на время перемещения рабочего органа создают в полости минимальное давление, близкое к давлению окружающей среды, а в моменты наибольшего отклонения от оси создают высокое давление. Устройство "Рыбий хвост" включает гибкую оболочку в виде плавника с полостью, повторяющей форму плавника, заполненной жидкостью, один конец которого свободен, а другой присоединен к приводу, который состоит из S-образного патрубка и регулирующего давление устройства, жестко соединенного с румпелем и патрубком, причем полость гидравлически связана через S-образный патрубок с регулирующим давление устройством, которое выполнено в виде цилиндра, оканчивающегося с обеих сторон сильфонами с закрытыми наружными торцами. Оболочка может быть
обрамлена пластиной и помещена в камеру прямоугольного сечения, открытую с торцов, и позволяющую с малыми зазорами перемещаться в ней оболочке.

Улучшение эксплуатационных характеристик включает следующее:
— простоту конструкции;
— повышение КПД (снижение непроизводительных потерь);
— повышение маневренности (управляемость).

Простота конструкции в предлагаемом изобретении достигается тем, что в приводе регулятор давления выполнен в виде цилиндра, оба конца которого оканчиваются закрытыми с наружных торцов сильфонами. Это позволяет избавить конструкцию от различного вида клапанов, редукторов и других элементов, снижающих надежность конструкции.

То, что полость повторяет форму гибкой оболочки, позволяет в нужные моменты отталкивания среды сделать оболочку жесткой за счет увеличения давления жидкости, находящейся в полости и сделать оболочку мягкой при переносе плавника в стартовое состояние, тем самым снизив
потери на преодоление сопротивления среды, то есть повысить КПД движителя.

Предлагаемая конструкция движителя обеспечивает мгновенный реверс, то есть, быстрое изменение направления полной силы тяги на противоположное, достаточно лишь повернуть движитель на 1800.

Применение камеры прямоугольного сечения, открытой с расположенных ортогонально направлению движения торцов и позволяющей оболочке с полостью смещаться с малыми зазорами в плоскости,
ортогональной оболочке и торцам камеры, позволяет повысить эффективность движителя, отбрасывая среду перемещения в направлении, точно противоположном направлению движения.

Обрамление оболочки пластиной позволяет перемещать плавник в камере с малыми зазорами, что, повышая обтюрацию, снижает непроизводительные потери, то есть позволяет вытеснять среду в полном объеме камеры с малыми потерями.

На фиг. 1 схематически поясняется работа гибкой оболочки с полостью, заполненной жидкостью; на фиг. 2 изображен вариант устройства "Рыбий хвост" для маломерного судна, вид сбоку; на
фиг. 3 — устройство "Рыбий хвост" вид сверху и схематическое изображение его работы; на фиг. 4 — другой вариант устройства "Рыбий хвост" с камерой.

Движитель состоит из гибкой оболочки 1, полости 2, привода, выполненного в виде последовательно соединенных S-образного патрубка 3, цилиндра 7, который оканчивается с обоих торцов закрытыми с внешних торцов сильфонами 8, к цилиндру прикреплен румпель 10. S-образный патрубок 3 гидравлически связывает полость 2 и цилиндр 7.

Движитель на маломерном судне может устанавливаться следующим образом. Патрубок проходит через подшипник 4, который с помощью кронштейна 5 крепится на транце 6. На транце крепятся также ограничители 9 перемещения цилиндра.
На транце 6 поворотно закреплена (см. фиг. 4) камера прямоугольного сечения 11, открытая с
расположенных ортогонально направлению движения торцов. Гибкая оболочка 1 обрамлена пластиной 12, позволяющей оболочке с полостью перемещаться внутри камеры с малыми зазорами в плоскости, ортогональной пластине и торцам камеры.

Работа движителя состоит в следующем (см. фиг. 1). За время с t по t1 на тягу 3 воздействует сила F, направленная слева направо, приводя нижний конец оболочки 1 в крайнее правое положение. Так как давление жидкости в полости 2 минимальное Рн (равное давлению во внешней среде), свободный конец оболочки практически не изменит своего положения, и оболочка изогнется вблизи конца, соединенного с приводом, вытесняя часть жидкости за пределы полости в гибкой оболочке. В момент t1 давление жидкости в полости повышается до максимального Рв. Под действием давления жидкость в полости принимает максимальный объем, выпрямляя оболочку и заставляя свободный конец принять положение t2. Выпрямляясь, оболочка вытесняет внешнюю среду, препятствующую ее выпрямлению, и создает тем самым силу тяги. Причем угол между направлением вытеснения внешней среды и направлением перемещения транспортного средства близок к 1800 , что позволяет создание силы тяги сделать эффективным.

Движение маломерного судна осуществляется следующим образом. Перемещая с помощью румпеля 10 цилиндр 7 до упора сильфоном 8 в ограничитель 9 (см. фиг. 2, 3), тем самым изгибают гибкую оболочку с полостью, заполненной жидкостью плавник "Рыбий хвост". В результате изгибания полость уменьшится в объеме, и часть жидкости переместится в цилиндр, заполняя объем цилиндра и сильфонов.
Затем в крайнем положении движителя, сжимая сильфон об ограничитель, повышают давление жидкости в цилиндре, а, значит, и в сообщающейся с ним полости плавника. Повышение давления заставляет полость принять первоначальный объем и распрямить оболочку. При этом плавник будет отталкиваться от внешней среды, сообщая судну момент движения. Затем перемещают
цилиндр до противоположноro ограничителя. Как только, отойдя от упора, цилиндр начнет перемещаться, на сильфон перестанет действовать сжимающая сила, он увеличит свой объем, давление в полости упадет, и оболочка, вынужденная перемещаться, изогнется из-за сопротивления среды перемещению. При достижении ограничителя процесс спрямления плавника повторится.

Судно можно повернуть, если держать цилиндр прижатым к ограничителю после спрямления плавника. В этом случае плавник будет исполнять роль жесткой лопасти весла. Но способ крепления к транцу устройства позволяет развернуть устройство на 1800 и продолжить
перемещения движителя, сделав румпель поворачивающимся в вертикальной плоскости
на 1800. В этом случае осуществляется полный реверс, то есть, полная тяга прикладывается в противоположном направлении.

При использовании открытой с торцов камеры прямоугольного сечения, с помещенной в нее оболочку с полостью, заполненной жидкостью (причем оболочка обрамлена пластиной для перемещения в камере с малыми зазорами), движение осуществляется за счет выталкиваемой из
камеры среды. В этом случае (см. фиг. 4, в, положение 1) согласно предлагаемому способу связанный с приводом конец оболочки, обрамленной пластиной, приводится в крайнее состояние — положение II. При перемещении давление в полости минимальное. За счет жесткости пластины и хорошей обтюрации из камеры вытеснится через дальний от транца торец некоторое количество среды, занимающей часть объема камеры. Одновременно через ближний от транца торец всосется такое же количество среды. При повышении давления в полости, достаточном для спрямлении оболочки, последняя вместе с обрамляющей ее пластиной примет положение плотного прилегания к стенке камеры — положение III, вытеснив из камеры оставшуюся часть объема среды через дальний торец и впустив в камеру среду через ближний от транца торец.

Таким образом, среда при работе устройства непрерывно перемещается через камеру в направлении, противоположном направлению движения транспортного средства. То есть, снижение коэффициента полезного действия устройства связано, в основном, с качеством обтюрации.

Затем, завершая цикл, снимают давление и перемещают ведомый конец в противоположном направлении до упора в противоположную стенку камеры, вытесняя часть объема среды (ровно половину, — если пластина прямоугольной формы и несколько длиннее стенки камеры). При
повышении давления в полости пластина, прилегая к стенке камеры, вытесняет оставшийся объем среды (положение 1). Таким образом, за один цикл работы вытесняется два объема среды.

Сила тяги, создаваемая при работе предлагаемого устройства, может быть оценена по формуле
= rSl/t,
где r — объемный вес среды, кг/м3;
S — площадь поперечного сечения камеры, м2;
l — длина камеры, м;
t — время полуцикла, с.
Аналогично, мощность, необходимая для работы, оценивается как N = rS1/t.

Затраты мощности на единицу тяги, создаваемой при работе предлагаемого устройства, определяется как N/ = 1/t, то есть приблизительно равны скоростиистечения среды.

Приведенные оценки трубы, однако позволяют составить представление о зависимости силы тяги от параметров предлагаемого устройства.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Комментарии