Приступая к изучению существующих движителей судов необходимо дать определение этому понятию. Судовой движитель - это устройство для преобразования работы энергетической установки судна в тягу, обеспечивающую его поступательное движение. Тяга движителя образуется за счет реактивных сил, возникающих при отбрасывании рабочей среды в сторону, обратную направлению поступательного движения судна. По характеру рабочей среды движители в настоящее время условно делятся на гидравлические (рабочая среда - вода), воздушные (воздух) и газоводометные (водовоздушная смесь). В свою очередь гидравлические движители подразделяются на лопастные (весло, гребной винт, плицы гребного колеса и т.п.) и нелопастные (газоводометные движители). Промежуточное место в этой классификации отдается водометному движителю.
Гидравлические движители широко применяются на всех судах водоизмещающего типа, воздушные движители - на быстроходных судах типа СВП и экранопланах. Из перечисленных движителей более подробно в пособии рассмотрены гребной винт (как основной из движителей, применяющихся на судах) и водометный движитель движение. Тяга движителя образуется за счет реактивных сил, возникающих при отбрасывании рабочей среды в сторону, обратную направлению поступательного движения судна. По характеру
рабочей среды движители в настоящее время условно делятся на гидравлические (рабочая среда - вода), воздушные (воздух) и газоводометные (водовоздушная смесь). В свою очередь гидравлические движители подразделяются на лопастные (весло, гребной винт, плицы гребного колеса и т.п.) и не лопастные (газоводометные движители). Промежуточное место в этой классификации отдается водометному движителю. Гидравлические движители широко применяются на всех судах водоизмещающего типа, воздушные движители - на быстроходных судах типа СВП и экранопланах. Из перечисленных движителей более подробно в пособии рассмотрены гребной винт (как основной из движителей, применяющихся на судах) и водометный движитель.
В предыдущем параграфе мы сказали, что существует пять основных типов силовой установки на судне, при этом, каждый из них характеризуется своей схемой валопровода, т.е. механической системой передачи вращения коленчатого вала двигателя к движителю (винту). Рассмотрим по порядку (рис. 107):
1. На судне установлен обычный стационарный конвертированный высокооборотный двигатель, который размещен в центре кокпита, в районе мидель-шпангоута. Коленчатый вал соединен через редуктор (для уменьшения числа оборотов) прямым гребным валом с винтом (линейная схема валопровода). Установка удобна в обслуживании, эффективна, проста, не требует дополнительных конструкторских решений.
2. Тот же двигатель расположен в кормовой части судна. При такой компоновке теряется ряд преимуществ, появляются новые (место в кокпите, снижение шума в каюте).Крупный недостаток - постоянный дифферент на корму и необходимость применения углового редуктора (V- образная, или угловая схема валопровода).
3. Схема валопровода с поворотно-откидной колонкой (Z - образная передача) сочетая в себе преимущества стационарного двигателя и ПЛМ (большая мощность мотора, хорошая мореходность, откидывание колонки при наездах на препятствие, легкость работ с винтом и обслуживания колонки, выхлоп газов в воду и т.д.) обладает одним крупным недостатком - высокой стоимостью.
4. Применение водометного движителя облегчает судоводителю жизнь за счет отсутствия каких-либо деталей, выступающих ниже киля судна, но достаточно усложняет ее за счет изменения ходовых качеств судна и, прежде всего, ухудшения управляемости. Двигатель устанавливается несколько дальше от кормы, чем в предыдущих двух случаях, что уменьшает дифферент на корму, отпадает необходимость в сцепной и реверсивной муфте
5. Валопровод подвесных лодочных моторов имеет Г-образную форму, при которой связь двигателя с движителем (винтом) осуществляется через редуктор с помощью промежуточного, т.н. торсионного, вала (рессоры). ПЛМ не занимает полезной площади кокпита, удобен в обслуживании и достаточно дешев
В ряде рассматриваемых вариантов валопроводов применяемые редукторы позволяют одновременно осуществлять реверсирование движителей - изменение направления вращения на противоположное. В общем случае, реверсирование осуществляется тремя способами : реверсом главного двигателя, включением реверсивной передачи и реверсом самого движителя. Реверс главного двигателя - изменение направления вращения коленчатого вала двигателя на обратное, и соответственно, изменение направления тяги винта. Такой реверс обеспечивается реверсивным устройством самого двигателя, основной частью которого является передвижной распределительный вал, обеспечивающий заданную последовательность подачи топлива в цилиндры, в результате чего коленчатый вал двигателя начинает вращаться в обратном направлении. Реверсивная передача - это передача, с помощью которой изменяется направление вращения гребного вала (гребным называют вал, на котором закреплен гребной винт) на противоположное при неизменном направлении вращении коленчатого вала двигателя
Реверсирование достигается за счет реверсивных зубчатых редукторов, гидравлической передачи или соединительно-разъединительных муфт, позволяющих отключать часть редуктора с одним направлением вращения и подключать - с другим. На катерах применяются реверс - редукторы (реверсивная муфта) - специальный механизм, обеспечивающий изменение направления вращения гребного вала судна при неизменном направлении вращения коленчатого вала судового двигателя с включением в конструкцию редуктора для снижения или мультипликатора для повышения числа оборотов вала. Реверс-редуктор соединяется с коленчатым валом фланцевыми соединениями посредством промежуточного вала либо непосредственно (см. рис. 108), ведомый вал - с гребным валом. Полость редуктора заполняется маслом, для проверки наличия и уровня которого есть указатель уровня (мерная линейка). Реверс движителя - изменение направления упора, создаваемого гребным винтом, обеспечивается поворотом лопастей у винтов регулируемого шага (ВРШ).
Гребной винт - устройство, преобразующее вращение вала двигателя в упор - силу, толкающую судно вперед. Он состоит из ступицы и нескольких (две и более) лопастей. Лопасть судового гребного винта представляет собой гидродинамический профиль, работающий под определенным углом наклона к водному потоку, отбрасывая его и создавая таким образом упор. Лопасть имеет входящую и выходящую кромки
Рис. 108. Два вида углового редуктора для стационарного двигателя:
а - с коротким промежуточным карданным валом;
б - закрепленный на двигателе.
и рабочую (нагнетающую) поверхность. Физическая суть работы гребного винта достаточно проста - при вращении на поверхности его лопастей, обращенных в сторону движения судна образуется разрежение, а обращенных назад - повышенное давление воды. Разность давлений создает силу, одна из составляющих которой и двигает судно вперед. Упор в большой степени зависит от угла атаки профиля лопасти. Оптимальное значение этого угла для быстроходных катеров 4 - 8°.
Основные понятия при рассмотрении темы и характеристик гребного винта:
Шаг винта - геометрическое перемещение (расстояние) любой точки лопасти вдоль оси за один полный оборот гребного винта при условии, что он совершает его в условно твердой среде.
Диаметр винта - диаметр окружности в которую вписаны спрямленные лопасти гребного винта (рис.109)
Шаговое отношение - отношение шага винта к диаметру
Дисковое отношение - отношение площади спрямленных лопастей (без ступицы) к площади диска, диаметр которого равен диаметру гребного винта (рис. 111). Шаговое и дисковое отношения являются основными параметрами гидродинамических характе ристик гребного винта, от которых зависит степень использования мощности двигателя и достижение максимально возможной скорости судном. Каждому гребному винту конкретного размера и фиксированного шага присуща своя винтовая характеристика. В принципе, для каждого корпуса судна и двигателя должен подбираться свой оптимальный гребной винт. Процесс расчета гребного винте сложен и базируется на использовании существующих графиков и диаграмм определения диаметра и шага винта в зависимости от мощности на валу. Для малых нагрузок и больших скоростей обычно выбирается двухлопастной гребной винт, для нормальных нагрузок (на катерах) - трехлопастной, для больших нагрузок и малых скоростей - четырехлопастной. Применение пятилопастного гребного винта значительно уменьшает вибрацию.
Скольжение винта - явление, возникающее при работе гребного винта в водной среде под нагрузкой, представляет собой разность между расчетным шагом винта и фактически пройденным расстоянием за один оборот. Скольжение почти никогда не бывает менее 15% шага винта, в большинстве случаев равно 30%, иногда - около 45-50% шага винта.
Коэффициент полезного действия (КПД) винта – отношение полезно используемой мощности к затраченной мощности двигателя, зависит, в основном, от диаметра и частоты вращения винта. КПД является оценкой эффективности работы гребного винта, его максимальная величина может достигать 70-80%, на малых судах 45-50%. Знать КПД винта необходимо для производства расчетов проектируемой скорости судна. КПД гребных винтов рассчитывается также по многочисленным графикам и диаграммам, основой которых служит коэффициент мощности (коэффициент нагрузки) - отношение произведения мощности двигателя, отданной винту, на частоту его вращения к поступательной скорости винта в попутном потоке
Большинство гребных винтов работает с коэффициентами нагрузки в пределах от 1 до 10. Структура коэффициента нагрузки показывает, что к высокому КПД гребного винта приводят небольшая мощность двигателя, низкая частота вращения и высокая скорость. Направление вращения гребного винта (рис. 110) в судовождении (правое - по часовой стрелке, левое -против часовой стрелки) устанавливают глядя с кормы в нос при работе винта на передний ход и определяют только для переднего хода.
Кавитация - явление "вскипания" воды и образования пузырьков пара на засасывающей стороне лопасти винта. При разрушении пузырьков создаются огромные местные давления, что является причиной выкрашивания лопасти. При длительной работе эти разрушения достигают больших величин, сказывающихся отрицательно на работе винта. Вторая стадия кавитации - возникновение на лопасти сплошной каверны, которая иногда может замыкаться даже за ее пределами.
Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей. При изменении шага и диаметра винта больше или меньше оптимальных значений возникают моменты, когда двигатель или не в состоянии вращать винт с большей частотой оборотов (не развивает номинальной мощности), либо, наоборот, не только развивает, но и легко превышает значение номинальной частоты вращения коленвала, а поскольку упор винта мал -судно все равно не развивает большой скорости. В этом случае вступают в силу понятия легкий (тяжелый) винт, которые также относятся к числу винтовых характеристик, о. которых было сказано выше.
Гребные винты изготавливают из бронзы, латуни, нержавеющей и углеродистой сталей, чугуна. Для гребных винтов малых судов применяют пластмассу. Металлические винты делаются литыми с последующей доводкой (обработкой).
Задача учета меняющегося сопротивления корпуса судна при изменении его нагрузки и более эффективного использования двигателя в этих условиях достаточно успешно решается применением гребного винта изменяемого шага (винт "мультипитч", не путать с винтом регулируемого шага -ВРШ). Ступица винта - металлическая, взаимозаменяемые лопасти - из полиамидных смол (последнее время из них изготовлена и ступица винта). Лопасти имеют жестко закрепленные пальцы (рис. 112), которые проходят в отверстия в торце носовой части ступицы 6 и входят в пазы поводка 4, имеющего мерную шкалу.
При повороте любой лопасти вокруг ее оси происходит синхронный разворот всех лопастей в сторону увеличения (уменьшения) шага винта. Закрепление лопастей в выбранном положении осуществляется гайкой 3. Втулка 5 имеет внутренний диаметр, равный диаметру гребного вала мотора. От осевого перемещения во втулке винт фиксируется гайкой 3 и стопорным винтом 8. Операция смены шага занимает при навыке 3-5 мин и не требует подхода к берегу и снятия винта. Для ПЛМ "Вихрь" такие винты выпускал Черноморский судостроительный завод.
Гребные винты регулируемого шага отличаются сложностью устройства, массивной ступицей и большой стоимостью, поскольку разворот лопастей для изменения шага винта у них производится дистанционно, в процессе работы (вращения). О таких винтах шла речь, когда мы говорили об изменении режима движения судна от "полного вперед" до "стоп" и "полного назад" только с помощью движителя. Преимущества ВРШ: возможность использования полной мощности двигателя на различных режимах движения судна и получения всего диапазона скоростей без изменения направления и частоты вращения гребного вала; экономия горючего и увеличение моторесурса двигателя. Недостатки ВРШ: сложность конструкции, снижение КПД двигателя из-за увеличенного размера ступицы и искажения профиля лопастей при их развороте на промежуточных режимах работы, низкая эффективность на заднем ходу. Для повышения КПД гребного винта на тяжелых водоизмещающих судах достаточно часто применяется кольцевая профилированная насадка (рис. 113), представляющая из себя замкнутое кольцо с плоско-выпуклым профилем.. Площадь входного сечения насадки больше площади выходного, винт устанавливается в наиболее узком месте и с минимальным (0,01 D винта) зазором между краем лопасти и внутренней поверхностью насадки. При работе винта засасываемый поток увеличивает скорость из-за уменьшения проходного сечения насадки, вследствие чего уменьшается скольжение винта. Дополнительный упор создается и на самой насадке (из-за обтекания водой подобно - крылу). Действие водометного движителя основано на известном законе Ньютона: масса воды, отброшенная движителем в корму, создает в виде реакции упорное давление, движущее судно вперед.
Водометный движитель (водомет) можно представить себе в виде мощного насоса, забирающего воду из-под днища и выбрасывающего ее за транцем из сопла над водой. От гребного винта водомет отличается только тем, что винт (колесо насоса) установлен в трубе внутри судна. Управление судном и движение задним ходом в этом случае осуществляется различными способами. Наиболее у нас применимый способ управления - поворотом струи в выпускном сопле с помощью двустворчатого реверсивно-рулевого устройства, состоящего из двух плоских пластин (рулей), соединенных между собой и шарнирно навешенных на реверсивную коробку. В этом случае на переднем ходу рули перекладываются параллельно друг другу, изменяя направление выбрасываемой струи в ту или другую сторону, на заднем ходу судно не управляется. Возможно применение поворотного сопла и реверсивной заслонки, а также, поворотного водомета (рис. 114), что значительно повышает маневренность судна. Водометы используют преимущественно на легких быстроходных катерах, где большая мощность сочетается с малым весом катера.
Воздушные винты находят очень редкое применение на маломерных судах из-за низкого КПД, больших размеров и большого количества других недостатков и проблем, с которыми встречаются конструкторы, проектируя судно с таким движителем. Воздушные винты незаменимы при изготовлении судов-амфибий (рис. 115, 116), судов на воздушной подушке, т.е. таких судов, для которых подстилающей поверхностью может быть болото, снег, лед, ровный песок и т.п. Чаще других применяются двухлопастные винты. Существуют соответствующие формулы для расчета тяги винта, ширины лопасти, шага, диаметра и др. характеристик винта. Воздушные винты для катеров чаще всего выполняют деревянными, клееными из реек.
Заканчивая тему движителей и подводя краткие итоги можно утверждать, что максимальную скорость, наибольшую экономичность и надежность, а также наибольшую тягу из существующих движителей создает гребной винт. Наименьшие осадка и материальные потери для судоводителя при касании грунта достигаются при использовании водометных движителей, а упрощенный монтаж и удобство при обслуживании возможны при эксплуатации подвесных моторов и поворотно-откидных колонок.
ДМИТРИЙ КРАСНОПЕВЦЕВ
, АЛЕКСЕЙ
ШАПКИН
,
ученики 10-го класса школы № 1273, г. Москва
Новые типы движителей для плавсредств
Ученический научно-исследовательский проект
Даётся в сокращённом и отредактированном виде. – Ред .
Сейчас уже общепризнано, что проектная деятельность не только становится для ученика образовательной, даёт навыки научно-исследовательской работы, но и, что самое главное, позволяет на практике освоить метод научного познания действительности. Это особенно важно на фоне современной «свободы слова» с обилием сомнительных «новых» теорий и псевдооценок явлений природы. Проектная деятельность позволяет увидеть, как результаты собственной исследовательской работы могут быть использованы для решения вполне конкретных общественно-значимых практических задач. 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.
Руководитель проектов Галина Павловна Устюгина, учитель физики. [email protected]
Научный консультант Юрий Евгеньевич Устюгин, к.ф.-м.н.
Наши предыдущие исследования 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
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 4000 Н (408 кгс) и требовала для своего движения мощности 100 л.с. (73,6 кВт)!
Рекордсмен подводного плавания – меч-рыба
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) .
Традиционные 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.)... (Далее обсуждаются параметры винта, не использованные в приводимой работе. – Ред .)
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 .
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 лопастимогут 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 .
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 (members.surfeu.at/fprossegger/english/vsp-function)
Общий вид крыльчатого движителя (www.voith-schiffstechnik.com/media/vohs_marine_01.pdf) и циркуляция судна с этим движителем (www.voithturbo.de/media/vohs_1810e_VWT.pdf)
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 . 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 (приводится рисунок. – Ред. ) 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.
2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД
Известные варианты. Для экспериментальных исследований необходимо собрать или изготовить электромеханический привод, с помощью которого можно передавать энергию двигателя движителю. Из общеизвестных вариантов приводов (в оригинаде приводится рисунок. – Ред. ) мы выбрали для своих моделей зубчатую и ременную передачи.
Наш вариант привода. Общий вид электромеханического привода дан на фото. В качестве двигателя мы использовали электродвигатель (угловая скорость 75 об/с) от радиоуправляемой игрушки на четырёх батареях постоянного (4 1,5 В) напряжения типа АА. Два редуктора понижали угловую скорость двигателя до 5–7 об/с: один, шестерёнчатый, от той же игрушки, другой, ременной, изготовлен нами. В качестве ремня использовалось резиновое кольцо. На один конец вала был насажен шкив, на другой – кривошип.
Общий вид модели плавсредства, несущей всю двигательно-движительную систему, показан на фото. Система допускает быструю замену движителя, закрепляемого на штоке и совершающего в процессе работы возвратно-поступательное движение. Шток – силовой элемент, оказывающий знакопеременное силовое воздействие на движитель.
Общий вид модели плавсредства – надводного судна
3. НАШИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Гипотеза. При выполнении проектов мы выявили правило U = /l = 0,29, выполняющееся для всех маховых перьев птиц (исследовались перья городского голубя, вороны, орла и чайки). Более того, оказалось, что выбор точки захвата подводного кайта в соответствии с правилом U = 0,29 приводит буквально к вылету модели из-под воды. В результате родилась гипотеза: если взять гибкую упругую пластину и придать ей знакопеременное перемещение в направлении, перпендикулярном плоскости пластины, то следует ожидать появления силы тяги в направлении, перпендикулярном направлению этого перемещения. Такая колеблющаяся пластина может использоваться как судовой движитель.
Рис. 4. Сечение махового пера, О
Движители. На фото представлены движители различной формы, которые испытывались нами в лабораторных условиях, будучи установленными на модели описанного выше радиоуправляемого надводного судна. Сначали испытывались движители прямоугольной формы, выполненные из полимерной плёнки толщиной 0,4 мм (в ) и 0,15 мм (д ). Положение точки захвата движителя (круглое отверстие – белая точка на фото) определялось в соответствии с правилом U = 0,29. Выяснилось, что прямоугольная пластина деформируется сложным образом (рис. А): при движении точки захвата вверх передние углы пластины, помеченные двумя верхними звёздочками, отгибаются вниз, также как и задняя часть пластины, причём наиболее сильно отклоняется её средняя точка (правая звёздочка).
Рис. А. Форма прямоугольного движителя в свободном состоянии (вверху) и под действием внешней силы F (внизу). Звёздочками помечены области максимального смещения
Рис. Б. К определению внутреннего контура движителя
Пунктирные контуры – внешний (красный) и внутренний (синий) – ограничивают часть движителя, играющую роль ствола птичьего пера. Поэтому сначала, чтобы оконтурить движитель, обрезали пластинку из пластика толщиной 0,4 мм по внешнему (красному) контуру. Затем строили внутренний контур (рис. Б): из каждой точки, например C, внешнего контура восстанавливали перпендикуляр до пересечения с линией заднего обреза (точка D ) и делили отрезок CD на две части в соответствии с правилом U = 0,29. После этого по возможности ближе к внутреннему контуру просверливали точку захвата. На образованный таким образом «ствол» наклеивали тонкую (0,015 мм) полимерную плёнку (варианты а , б , г , ж на фото). Так получились движители типа а , б на фото. Движители типа г , ж использовались для выяснения влияния разрезов и силовых элементов («рёбер жёсткости»). Движитель е – простейшая имитация рыбьего хвоста.
Эксперимент. Измерения и наблюдения выполнялись в аквариуме и ванне. Сначала в качестве двигателя использовали скрученный резиновый шнур. Однако оказалось, что в этом случае можно было только наблюдать движение модели, измерить же какие-либо параметры было трудно из-за непостоянства потенциальной энергии раскручивающегося резинового шнура. Поэтому в дальнейшем мы собрали модель на основе электродвигателя постоянного тока. Для измерений силы использовали обычный школьный динамометр с полной шкалой 5 Н и ценой деления 0,1 Н. Временные интервалы измеряли таймером (в сотовом телефоне – цена деления 0,001 с, что давало повод поговорить об ошибках измерений). Для определения скорости модели измеряли проходимый ею с установившейся скоростью путь 20 см (между метками на стенках аквариума). Время и силу тяги измеряли каждый раз трижды три различных оператора. в дальнейших расчётах использовались результаты, усреднённые по этим девяти измерениям.
Измеряемые величины
Рассчитываемые величины
В таблице приведены результаты измерений и вычислений для предложенного нами движителя, а также (для сравнения) для гребного винта диаметром 0,05 м .
Замечание. Известно, что КПД винта летательного аппарата достигает максимального значения (80%) при = 0,25 . При , близких к нулю, летательный аппарат приближается к состоянию покоя, а винт находится в режиме холостого хода, т.е. = 0. При больших летательный аппарат движется с такой скоростью, что встречный поток начинает раскручивать* винт, т.е. наступает режим, схожий с режимом холостого хода винта, в этом случае также = 0. Т.е. полёт аппарата с поступью винта, близкой к 1, вообще исключён.
Зависимость КПД от поступи винта летательного аппарата
Из таблицы видно, что КПД нашего движителя (76%) выше КПД гребного винта (45%). Существенно и различие в относительной поступи: 1,1 против 0,855, т.е. больше приблизительно на 30%. Модель с винтом движется в 7,5 раз быстрее, но при этом и энергетические потери у неё значительно больше: в 7,34/0,0264 = 282 раза! Таким образом, «провал» в среду, характерный для гребковых движителей, приводит и к существенным экономическим потерям.
Полученные нами результаты позволяют ожидать существенный экономический выигрыш при эксплуатации предлагаемых безопорных вихревых средств возбуждения силы тяги перед гребковыми средствами. Применение спаренных, действующих в противофазе движителей должно исключить вибрацию корпуса плавсредства и позволить преобразовать часть энергии, прежде расходовавшуюся на эту вибрацию, в кинетическую энергию поступательного движения плавсредства.
_______________________
* Когда у вертолёта отказывает двигатель, он падает. При этом пропеллер раскручивается встречным потоком воздуха. Так же и у самолёта: если самолёт будет лететь очень быстро, то уже не вращающийся винт будет толкать самолёт, а наоборот, самолёт при своём движении будет раскручивать винт, что приводит к торможению самолёта и даже к отрицательному КПД винта. – Г.У .
Заключение
1. Предложен новый способ создания силы тяги в текучих средах, а также устройство – движитель для плавательных аппаратов, – в основу разработки которых положены результаты, полученные в проекте .
2. Экспериментально показано, как наличие знакопеременной силы, действующей на движитель в поперечном к его поверхности направлении, порождает силу тяги у плавсредства с таким движителем.
3. Выполнена опытно-конструкторская
разработка радиоуправляемой модели
плавательного средства с движителями различной
конфигурации, но общего принципа действия,
удовлетворяющего правилу
U
= 0,29, найденного для маховых перьев птиц.
4. Опытно-конструкторская разработка – радиоуправляемая модель с новым типом движителя – испытана в лабораторных условиях.
5. Показано, что КПД нового движителя равен 76% при относительной поступи движителя 1,где = u/ , u – скорость поступательного движения плавсредства, – средняя скорость перемещения движителя под воздействием знакопеременной силы. (При таком значении винт вообще уже не работает как движитель, становясь ветряком-пропеллером, как у ветряной мельницы.)
Литература
1. Ручкин И. , Алексеев К ., Белых А . (школа № 1273). Почему летают птицы: Исследовательская работа: Руководитель Г.П.Устюгина. – «Ярмарка идей Юзао», москва, 2004.
2. Краснопевцев Д ., Шапкин А .(школа № 1273). Подводный кайт: Проектная работа: Руководитель Г.П.Устюгина. – «Ярмарка идей Юзао», москва, 2004.
3. Меркулов В.И. Загадка плавания рыб. nauka.relis.ru/cgi/nauka.pl?05+0112+05112088+HTML .
4. Что нужно знать о гребном винте. www.kater.ru/catalog/links_u_ustroistvo_sudna.htm .
5. Энциклопедия «Кругосвет». www.krugosvet.ru/articles/14/1001453/1001453a6.htm .
6. Семёнов Г.А. Патент РФ № 2090441 «Движитель для судов и аппаратов надводного и подводного плавания».
7. Семёнов Г.А. Затраты энергии на транспорте могут быть снижены в 10 раз. www.eprussia.ru/epr/info/sklad/036/new_tech_1.3.htm .
8. Мазейкин Е.М ., Шмелёв В.Е . Конструирование и моделирование технических устройств. .
9. Сахновский Б.М. Модели судов новых типов. – Судостроение, 1987. http://www.shipmodeling.ru/books/NewTypeShips/newtypeships.pdf .
10. Прандтль Л . Гидроаэродинамика: R@C Dynamics. – М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002.
Дмитрий
Краснопевцев
Галина
Павловна Устюгина – выпускница физического
факультета Ташкентского государственного
университета 1971 г. по специализации
«Радиационная физика», учитель физики высшей
квалификационной категории, педагогический стаж
33 года, почётный работник общего образования
Российской Федерации. В целях поиска путей
совершенствования системы образования
принимала активное участие в работе творческой
лаборатории народного учителя СССР Б.И.Вершинина
в г. Томске в 1993 г. Дальнейший поиск привёл к
системе развивающего обучения Д.Б.Эльконина
–В.В.Давыдова
.
Основные принципы этой системы сейчас положены в
основу уроков педагога. Галина Павловна
участвовала
в разработке методик преподавания физики. По
приглашению руководства Горно-Алтайского
республиканского института повышения
квалификации прочитала курс лекций по теме
«Моделирование учебно-воспитательного процесса
при обучении физике». На республиканском
семинаре «Инновации в процессе преподавания
физики» представила авторские разработки
методики развивающего обучения физике. В 1998 г.
стала призёром республиканского конкурса
«Учитель года». В 2002–2004 гг. проводила окружные
семинары для учителей физики ЮЗАО г. Москвы, в 2003
г. в составе делегации работников просвещения г.
Москвы провела один из лучших уроков физики по
программе «Мастер-класс» в г. Киеве. Участвовала
в работе второго (2003 г.), третьего (2004 г.) и
четвёртого (2005 г.) Московских марафонов учебных
предметов, организуемых МДО, МИОО и ИД «Первое
сентября». В настоящее время является
руководителем и организатором
проектно-исследовательских работ в школе. Её
ученики Сергей Панюшкин
и Владимир
Апальнов
стали призёрами в номинации
«Проектно-исследовательские работы» на конкурсе
«Ярмарка идей на Юго-Западе-2003» и лауреатами 7-й
научной конференции молодых исследователей «Шаг
в будущее. Москва» (2004 г.), которая проходила в
МГТУ им. Н.Э.Баумана, выступив с работой
«Моделирование торнадо-процесса». Проектные
работы учащихся 9-го класса«Почему летают
птицы» (Иван Ручкин
и Андрей
Белых
)
и «Подводный кайт» ( и Алексей
Шапкин
) были удостоены дипломов 1-й степени в
конкурсе «Ярмарка идей на Юго-Западе-2004». Ученики
Галины Павловны регулярно занимают призовые
места на олимпиадах по физике. Имеет публикации в
газете «Физика», журнале «Квант», патенты на
изобретения. Незаменимым помощником Галины
Павловны является её муж Юрий Евгеньевич
Устюгин
, с которым она вместе училась в ТашГУ.
Юрий Евгеньевич – к.ф.-м.н., автор ряда публикаций
по физике множественного образования частиц при
высоких энергиях, ядерной геофизике,
антикоррозийным покрытиям нефтесодержащего
оборудования и сооружений (журналы «Ядерная
физика», «Доклады АН СССР», «Известия АН УзССР»,
«Трубопроводный транспорт нефти», сборники
статей по геологии и ядерной геофизике), имеет
авторские свидетельства и патенты на
изобретения. В 1996 г. разработал оригинальную
технологию производства высокоантикоррозийного
пигмента «спекулярит», освоил его промышленное
производство и внедрил на предприятиях ОАО
«Центрсибнефтепровод». В 1998–2000 гг. в должности
гендиректора восстанавливал ГУП «Акташское
горно-металлургическое предприятие», в 2000 г. был
приглашён холдингом «Содружество» в Москву для
работы в качестве замгендиректора по финансам и
экономике в ОАО «Угли Кузбасса», в 2001 г.
переведён на должность гендиректора
Орско-Халиловского комбината «НОСТА». В
последние годы занят вопросами гидро- и
аэродинамики и подготовкой будущих физиков.
Семья педагогов вырастила двух дочерей, а теперь
растит двух внучек и внука, уделяя им всё
свободное время, которого, к сожалению, так не
хватает на всех. Хобби – горный туризм.
Значит ли это, что на сегодня возможности этих традиционных для судостроения движителей исчерпаны? Отнюдь нет.
После того, как в прошлом веке винт полностью вытеснил гребное колесо, он постоянно совершенствовался и получил преимущественное распространение на всех видах транспортных средств, движущихся под, на и над поверхностью воды. И сегодня этот тип движителя в судостроении остается самым эффективным.
В авиации с появлением реактивной техники в середине 40-х годов пропульсивный комплекс, состоящий из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и воздушного гребного винта, уступил свое место турбореактивному и реактивному пропульсивным комплексам, объединяющим в одном агрегате двигатель и движитель (часто эти ПК называют не совсем правильно воздушно-реактивными двигателями - ВРД). Гребной винт в авиации полностью сохранил свои позиции лишь на вертолетах, на легкомоторных самолетах, на мотодельтапланах, а в составе турбовинтового пропульсивного комплекса - на среднескоростных и тяжелых грузовых самолетах.
На рис. 1 приведены зависимости реальных значений к. п. д. от скорости для судовых движителей различных типов. По данным автора, наибольшее экспериментальное значение к. п. д. - 0,915 достигнуто для узколопастного авиационного гребного винта. Судовые гребные винты из-за большей ширины лопастей имеют большие потери на трение о воду. При испытаниях изолированных винтов их к. п. д. достигает величины 0,8. Однако у винтов, установленных на реальные суда, из-за ограниченного диаметра обусловленного осадкой судна, к. п. д. редко превышает 0,60. Величина полного пропульсивного коэффициента при этом составляет около 0,3 (к. п. д. двигателя внутреннего сгорания обычно находится в диапазоне 0,40-0,50).
Для турбореактивных пропульсивных комплексов современных самолетов величина полного пропульсивного коэффициента достигает 0,25. Для речного СПК «Буревестник» с авиационным турбовинтовым двигателем и водометным движителем пропульсивный коэффициент вдвое меньше - 0,121.
Прежде чем начать знакомство с нетрадиционными типами пропульсивных комплексов, т. е. ПК исключающими применение гребного винта или лопастного насоса, попробуем классифицировать все известные движители. Удобно их разделить на две основных группы (рис. 2): не имеющие подвижных относительно корпуса элементов (т. е. лопастей) и ПК с подвижными элементами движителя. Представителем второго вида является гребной винт. Хорошо известны основные проблемы, обусловленные наличием лопастей. За счет вращения винта скорость обтекания лопастей во много раз превышает скорость судна. При таких скоростях возникает явление кавитации (), отрицательно сказывающееся на к. п. д. движителя, разрушающее поверхность лопастей. Для уменьшения влияния кавитации нужно уменьшить толщину лопастей и увеличить их площадь но здесь судостроители оказываются перед проблемой обеспечения прочности сильно нагруженных лопастей, консольно закрепленных на ступице винта.
В той или иной степени эти проблемы присущи и другим видам лопастных движителей - водометному ПК и др. А если взять воздушный винт, то возникает проблема борьбы с шумом, резко усиливающимся при сверхзвуковых скоростях обтекания периферийных элементов лопастей. Излишне говорить об эксплуатационных неудобствах, которые создают подвижные относительно корпуса элементы пропульсивного комплекса.
Однако возможно ли вообще создать пропульсивный комплекс без подвижных элементов! Оказывается, возможно и вполне реально. Пока такие комплексы еще не нашли широкого применения в судостроении, но в авиации и космонавтике они используются давно и успешно. Это, прежде всего, прямоточный реактивный авиационный ПК и ракетный ПК . В судостроении аналог реактивного авиационного ПК обычно называют гидрореактивным, хотя, если говорить точно, по принципу создание тяги и гребной винт является тоже гидрореактивным движителем.
По мере развития авиации установили, что масса поршневого ДВС, работающего на винт, приблизительно пропорциональна его мощности. А поскольку с увеличением скорости самолета требуемая тяга растет пропорционально квадрату, а мощность - кубу скорости, то и масса поршневого двигателя растет пропорционально кубу скорости. Таким образом, для самолета, летящего со скоростью 1000 км/ч. потребовался бы ДВС, масса которого равнялась бы общей полетной массе самолета, не оставляя ничего на конструкцию, запас горючего и полезную нагрузку. Масса же турбореактивного или реактивного ПК оказывается примерно пропорциональной их тяге. Поэтому такие ПК для той же скорости 1000 км/ч обладают вполне приемлемой массой - около 10% массы самолета (без учета топлива) и около 35% с топливом.
Столь продуктивная в авиации техническая идея «заразила» и судостроителей, которые ведут серьезные исследования по созданию прямоточного гидрореактивного ПК.
В зависимости от способа подачи энергии в зону взаимодействия с потоком, обтекающим корпус судна, различают тепловой, газоводометный и магнитогидродинамический (МГД) прямоточные гидрореактивные ПК.
Из этих типов наибольшую эффективность пока удалось получить для газоводометного ПК, с описания которого мы и начнем. С принципами работы такого ПК познакомимся на примере модели, описанной в книге В. А. Башкатова и др. Модель движителя имела длину 0,223 м и диаметр 0.078 м (рис. 3). Она состояла из водозаборника. камеры смешения и сопла. Сжатый до избыточного давления 0,34 кг см 2 воздух из компрессора, установленного вне движителя, через ресивер поступал в коллектор, выполненный в виде кольцевого канала между диффузором и обтекателем, откуда через 550 отверстий диаметром 0,8. мм подавался в камеру смешения, расположенную сразу за диффузором. Поток воды, поступая в расширяющийся диффузор, замедляет свое движение, вследствие чего повышается статическое давление в нем. В камере смешения, имеющей постоянное поперечное сечение, сжатый до этого давления воздух смешивается с водой и образовавшаяся водовоздушная смесь выбрасывается через сопло. Если сечения на входе (водозаборника) и выходе (сопла) имеют одинаковую площадь, то из-за меньшей плотности водовоздушной смеси по сравнению с плотностью воды, скорость струи, истекающей из сопла, оказывается больше, чем на входе.
Описываемая модель имела диаметр сопла 0.034 м и развивала на расчетном режиме тягу около 0,2 кг, имея на этом режиме к. п. д., равный 0,35. Более полные исследования показали, что к. п. д. прямоточных гидрореактивных ПК подобного типа не превышает 0,4, а их тяга на швартовах (при отсутствии хода) равна нулю и судну для разгона необходим еще и другой движитель. Например, были предложены двухступенчатые водометно-газоводометные движители, состоящие из размещенных в одном канапе осевого насоса и камеры смешения. Однако такие движители по эффективности оказались хуже водомета и не сулят каких-либо эксплуатационных преимуществ.
В 1971 г. директор Голландского опытового бассейна Ван Манен опубликовал анализ целесообразности применения газоводометного ПК для судна на подводных крыльях, имеющего скорость от 40 до 80 уз и водоизмещение от 20 до 180 т. Проектные проработки были доведены до сравнения экономических показателей СПК, оборудованных соответственно газоводометным ПК и ПК с суперкавитирующим гребным винтом. Удельные приведенные затраты при скорости 60 уз у газоводометного варианта оказались больше примерно в 1,5 раза.
До сих пор остаются неприемлемыми на судах по своим экономическим показателям воздушные турбореактивные пропульсивные комплексы, хотя за последние 34 года они не раз применялись на глиссерах для заездов на побитие абсолютного рекорда скорости на воде. Именно турбореактивный ПК, установленный на «Синей птице III» Дональда Кэмпбелла, позволил поднять рекорд сразу на 120 км ч, а затем и до нынешних 511,11 км/ч, которые развил в 1978 г. австралиец Кен Ворби на глиссере «Спирит оф Австралия». Но к. п. д. турбореактивного ПК на обычных, не рекордных скоростях, пока еще остается довольно низким.
Правда, определенные перспективы открывает идея подачи распыленной воды в сопло воздушно-реактивного ПК. Как показали проведенные в 1973 г. модельные эксперименты, этот прием позволяет повысить тягу на 50-80% без изменения расхода топлива и режима работы самого ПК. Американский специалист Куандт теоретически рассчитал, что при скорости 100 узлов (185 км/ч) подобный ПК может достичь довольно высокого пролульсивного коэффициента, равного 0,48. При этом масса впрыскиваемой воды должна составлять около 10 % от массы используемого воздуха, движение которого можно обеспечивать не только при помощи авиационного турбореактивного ПК, но и при помощи воздушного вентиляторного ПК. В отечественной литературе последний из указанных тип ПК получил название газоводометного движителя с малым расходом воды (рис. 4).
Оригинальной разновидностью газоводомета является двухфазный воздушно-водяной ПК, основанный на использовании гравитационных эффектов. Основательное экспериментальное исследование такого ПК в 1968 г. провел финский исследователь Костилайнен. Принцип действия и конструкция устройства предельно просты (рис. 5). Компрессор подает через ресивер воздух к отверстиям, расположенным в нижней части плоской наклонной кормовой оконечности судна. Воздух в виде пузырьков всплывает под действием архимедовой силы и. скользя по наклонной плоскости кормы и увлекая вместе с собой массы оды вверх и назад, создает таким образом тягу. Испытания модели длиной 1.6 м, шириной 0,5 м и осадкой 0,19 м в опытовом бассейне показали, что пропульсивный коэффициент для такого ПК может достигать значения 0,35 без учета потерь в компрессоре и воздуховодах. Тяга ПК достигала 2 кг, а скорость хода модели - 0,85 м с. Воздух при этом подавался через 7 отверстий диаметром 10 мм. Подача воздуха через 49 отверстий диаметром 5 мм приводила к некоторому уменьшению скорости хода, но к повышению пропульсивного коэффициента. Однако изобретателю было ясно, что эффективность ПК явно недостаточна для его использования на судах. Поэтому Костилайнен сделал попытку применить свой движитель на судне с вентилируемым днищем (подробнее о нем см. в «КиЯ» №129). Исследователь рассчитывал, что движитель окажется более эффективным, чем гребной винт при его работе за воздушной каверной. На испытаниях трехметровой модели удалось получить максимальное значение пропульсивного коэффициента 0,55. Для транспортных судов такая эффективность явно низка, однако простота и экологическая чистота воздушно-водяного ПК могут оказаться полезными для создания спортивных и исследовательских самоходных плавсредств.
В 1974 г. французские исследователи P.-Ж. Балкю и М. Курубль провели испытания баржи водоизмещением 600 т, оборудованной аналогичным описанному выше двухфазным ПК. Для более интенсивного перемешивания воздуха с водой они предложили установить на днище смеситель в виде крыльевой наделки с прорезями. Во время испытаний скорость баржи составила 14 уз, а наивысшее значение пропульсивного коэффициента - 0,4, т. е. введенные новшества на эффективность практически не повлияли.
Очевидно, что давление в камере смешения прямоточного гидрореактивного движителя должно быть больше статического давления на глубине расположения сопла и меньше суммы этого статического давления и скоростного напора. Но были попытки создания движителей с более высокими давлениями в камере смешения и клапанной системой, регулирующей величину давления на подходе рабочей жидкости к впускному окну. Истечение из сопла в таком движителе становится пульсирующим. В 1955 г. Л. А. Юткин предложил электрогидравлический пульсирующий движитель, в котором для создания повышенного давления в камере смешения используется энергия высоковольтного электрического разряда в воде, а вход и выход снабжены клапанной системой. Но до практического применения на судах, несмотря на большой интерес к этому типу движителей многих изобретателей, дело не дошло - эффектность газоводометных ПК пока слишком низка.
Среди предлагаемых прямоточных гидрореактивных ПК есть и такие, в которых тепловая энергия преобразуется в тягу непосредственно в камере смешения - аналогично работе авиационных реактивных ПК, где в камеру смешения и сгорания подается топливо. Роль топлива, выделяющего тепловую энергию i воде, может играть гидрореагирующее горючее - литий, натрий, калий, алюминий, магний. (Например, при реакции 1 кг лития с забортной водой выделяется 28 300 кДж тепла, что в 10 раз больше. чем при сгорании 1 кг керосина в воздухе). Такое гидрореагирующее топливо представляет собой твердое тело, поэтому проблемами становятся непрерывная подача его в камеру смешения и сгорания, обе печение полного сгорания. Гидрореагирующее горючее трудно хранить, т. к. оно легко соединяется с кислородом и влагой воздуха, выделяя взрывоопасный водород. Частично эти проблемы решаются, если для сгорания топлива использовать не забортную воду, а специальный окислитель. Такие ПК получили название ракетных .
Наиболее перспективным из различных видов прямоточных гидрореактивных ПК, по общему признанию, является магнитогидродинамический комплекс (МГД ПК). Сравнительно недавно, благодаря усиленной рекламе японских специалистов, он стал предметом ряда «сенсационных» сообщений (см., например, «Известия» за 12 марта и 4 апреля 1988 г.). Что же представляет собой этот ПК?
Идея МГД ПК появилась в 1961 г. одновременно с идеей МГД-генератора, способного преобразовывать тепловую энергию в электрическую без двигателей внутреннего сгорания или паротурбинных установок. Необходимая эффективность подобных устройств достигается только при использовании эффекта сверхпроводимости.
Принцип действия так называемого кондукционного МГД-движителя заключается в следующем. Пусть имеется канал прямоугольного сечения (рис. 6), по которому может протекать электролит, скажем, соленая морская вода.
Верхняя и нижняя стенки канала являются соответственно разноименными магнитными полюсами, а боковые стенки, изолированные от остальных, находятся в контакте с электролитом и подключены к источнику постоянного тока. Между боковыми стенками потечет постоянный ток, т. е. начнется направленное движение ионов. На положительно заряженный ион, который движется от анода к катоду и находится в вертикальном магнитном поле, будет действовать так называемая сила Лоренца. Ее направление можно найти по правилу левой руки: если четыре пальца левой руки направить в сторону движения положительных ионов, а ладонь расположить перпендикулярно направлению от северного магнитного полюса к южному (внутренняя сторона ладони при этом смотрит на северный полюс магнита), то большой палец укажет направление силы Лоренца. Под действием этой силы положительные ионы будут отклоняться, взаимодействуя при этом с атомами и молекулами электролита, и вся жидкость начнет перемещаться в указанном направлении. На магниты, создающие магнитное попе, будут действовать силы, противоположные по направлению силе Лоренца, в результате чего возникнет необходимый для движения судна упор. В отличие от всех других типов движителей, здесь упор создается за счет действия на жидкость объемных, а не поверхностных сил, что позволяет ускорить ее поток без изменения давления.
Однако чтобы сила Лоренца имела достаточно высокое значение, необходимо иметь весьма большую напряженность магнитного поля и, соответственно, магнитную индукцию. Чтобы представить, каковы порядки этих величин, укажем, что попе соленоида, имеющего 1 миллион ампер-витков на метр, создает в пустоте магнитную индукцию, равную 1,26 тесла (Тл). А для того чтобы получить высокую эффективность МГД-движителя, необходима индукция 7-10 Тл; при этом потери энергии (в основном на нагрев воды) составят около 20%.
Реальная конструкция, разработанная японскими специалистами, должна развивать тягу на швартовном режиме до 2500 т. Испытания двух моделей судов (SEMD-1 и ST-500) с МГД-движителями прошли успешно, и было решено приступить к проектированию МГД-движителей для пяти различных судов водоизмещением от 30 до 10 000 т.
Реальность создания МГД ПК зависит прежде всего от решения трех проблем: разработки больших сверхпроводящих магнитных систем, способных создавать мощное магнитное поле; экранирования внешних магнитных попей; обеспечения эффективной работы электродов при неизбежном в процессе их работы электролизе, т. е. выделении газов.
Последние сообщения свидетельствуют о том, что Японская ассоциация содействия судостроению утвердила проект создания модели судна водоизмещением 150 т, оборудованной МГД ПК. Расчетная скорость модели составляет 8 уз, упор - 800 кг. Специалисты надеются. что это будет первый шаг по созданию «бесшумного и сверхскоростного судна XXI века со скоростью 100 узлов». В некоторых сообщениях эта японская программа названа «Революцией в судостроении».
Однако, если оставить в стороне рекламную шумиху, то можно заметить, что проработки и даже испытания моделей, оборудованных МГД ПК, правда без использования сверхпроводимости, ведутся уже давно. Например в 1966 г. на механическом факультете Калифорнийского университета испытывалась трехметровая модель подводной лодки EMS-1 водоизмещением 408 кг с МГД ПК (рис. 7). Для создания магнитного поля по обмотке магнитной системы пропускался ток силой 110-120 А. Корпус и магнитная система имели непроводящую облицовку, поверх которой были установлены два электрода (анод и катод), соприкасающиеся с морской водой. На электроды подавалось постоянное напряжение 27,8 В, при этом между электродами возникал ток 91,4 А. Электропитание обеспечивалось свинцово-щелочными аккумуляторными батареями, емкости которых хватало для работы ПК в течение 20 минут.
Модель развивала скорость 0,5 м/с }
