. | ||
Pojazdy poduszkowe |
||
Kopiowanie pracy w całości lub jej części bez zgody autorów jest zabronione !!! |
dyplomanci: Artur Glesmer i Marcin Marczewski
promotor: mgr inż. Ireneusz Kulczyk
ROK SZKOLNY 1999/2000
ROZDZIAŁ 2. CZYM SĄ POJAZDY PODUSZKOWE ROZDZIAŁ 3. PODZIAŁ POJAZDÓW PODUSZKOWYCH I URZĄDZEŃ WYKORZYSTUJĄCYCH EFEKT PODUSZKI POWIETRZNEJ ROZDZIAŁ 4. ZASADA DZIAŁANIA POJAZDÓW PODUSZKOWYCH 4.1. Zjawisko powstawania poduszki powietrznej 4.2. Oddziaływanie podłoża na śmigła i wirniki nośne 4.3. Komora wyrównawcza 4.4. Układ dyszy pierścieniowej 4.5. Układ oddziaływania podłoża na skrzydło lotnicze nisko lecące ROZDZIAŁ 5. BUDOWA POJAZDÓW PODUSZKOWYCH 5.1. Kadłub 5.2. Układ unoszenia 5.4. Układy sterowania 5.5. Silniki napędowe ROZDZIAŁ 6. ZASTOSOWANIE PODUSZKOWCÓW 6.1. Transport wodny (przybrzeżny i rzeczny) 6.2. Transport lądowy ROZDZIAŁ 7. PRZEGLĄD KONSTRUKCJI
ROZDZIAŁ 1. HISTORIA ROZWOJU PODUSZKOWCÓW Około pięćdziesiąt lat temu rozpoczęto pierwsze próby z pojazdami poduszkowymi na szerszą skalę. Dzisiaj, po tym niedługim okresie doświadczeń, są już w pełni na usługach człowieka. To ciekawe wydarzenie być może uszło naszej uwadze i mimo krótkiego okresu rozwoju nie pamiętamy jego początków. Stało się tak dlatego, że rozwój poduszkowców przypadł na okres gwałtownego rozwoju statków kosmicznych i podboju kosmosu, którymi ludzkość była pochłonięta. Należy jednak wiedzieć, że próby wykorzystania poduszki powietrznej rozpoczęto dość dawno, prawie równolegle z próbami lotniczymi. 1907 r. – Francuz Charles Thercy opracował projekt kolei bezszynowej, opartej na zasadzie poduszki powietrznej. 1910 r. – Kanadyjczyk R. Porter pokazał na wystawie lotniczej w Londynie urządzenie zwane Gyropachute, przypominające w pewnym sensie pojazd poduszkowy. 1932 r. – Fin T. Kaario dokonał pierwszych prób na zamarzniętym jeziorze z ekranoplanem, statkiem częściowo wykorzystującym poduszkę powietrzną. Rok później wypróbował już nową wersję ekranoplanu. 1949 r. – W Anglii opracowano projekt pojazdu poduszkowego o nazwie “SR.N1.”. 1953 r. – Inżynier Christopher Cockerll rozpoczął prace badawcze w dziedzinie zmniejszania oporu dna jednostki nawodnej przez wprowadzenie między wodę i powierzchnię dna statku warstwy powietrza. Prowadzone badania z wykorzystaniem poduszki powietrznej przyczyniły się do zapewnienia jednostce lotu nad wodą lub ziemią. 1957 r. – Zakłady Sounders – Roe rozpoczęły pierwszego doświadczalnego poduszkowca “SR.N1”. 1959 r. – Poduszkowiec ten wystartował do pierwszych prób, a następnie udoskonalony osiągnął prędkość 100 km/h. 1960 r. – Firma Britten – Norman zbudowała doświadczalny pojazd poduszkowy, dwuosobowy “CC-1”. 1961 r. – firma Vickers przeprowadziła próbę poduszkowca “VA-1”. 1962 r. – Wystartował do prób pojazd poduszkowy “SR.N2”, który w ciągu następnych trzech lat eksperymentalnie obsługiwał linie pasażerską i przywiózł kilkadziesiąt tysięcy pasażerów. W pojeździe tum zastosowano po raz pierwszy elastyczną osłonę poduszki powietrznej, dzięki której polepszyły się znacznie zdolności ruchowe owego poduszkowca. 1962 r. – W Związku Radzieckim zbudowano pojazdy poduszkowe “Radugo” i “Newa”. Następnie na podstawie doświadczeń zebranych przy eksploatacji pojazdu “Radugo” zbudowano w stoczni Krasyjne Sormono pięćdziesięcio osobowy pojazd na poduszce “Delfin”. 1962 r. – Polak, inżynier Jerzy Bień, zbudował prototyp taczki powietrznej, napędzanej zmodernizowanym silnikiem motocyklowym. 1963 r. – W USA, firma Bell zakończyła próby z poduszkowcem “SKMR-1”. 1963 r. – Przeprowadzono w trudnych warunkach geograficznych (w lecie na Saharze, a zimą w rejonie Zatoki Botnickiej) próby z poduszkowcem “ 1964 r. – W klubie Młodego Technika w Warszawie zbudowano pod kierunkiem inżyniera A. Moldenhareta niewielki eksperymentalny poduszkowiec. 1965 r. – Sprawdzono przydatność do celów wojskowych pojazdy poduszkowe “SR.N5” i “SR.N6”. Próby przydatności przeprowadzono także w czasie walk w dżungli Malezji i Borneo, podczas konfliktu z Indonezją. 1965 r. – w San Francisco uruchomiono regularną linię komunikacji poduszkowcowej, obsługiwanej przez pojazd poduszkowy“SR.N6”. 1966 r. – Rozpoczęto w Wielkiej Brytanii budowę giganta poduszkowego “SR.N4” 1967 r. – Wyprodukowano serię pojazdów poduszkowych “SR.N5” do celów militarnych. 1968 r. – Rozpoczął regularne rejsy na trasie Dover – Boulogne (kanał La Manche) największy poduszkowiec na świecie “Mountbatten SR.N4”. Właścicielem poduszkowca są Brytyjskie Linie Kolejowe. Wymiary: szerokość 28 m, długość 42 m, wysokość 14 m, (ciężar własny 168 ton, udźwig 67 ton) 1968 r. – Francuski inżynier Jan Bertin skonstruował i wypróbował poduszkowy pojazd szynowy (jedna szyna). Pojazd ten nazwano aeropociągiem. Osiągnął podczas prób prędkość 400 km/h. 1971 r. – Przeprowadzono próby z pierwszym prototypem polskiego poduszkowca rolniczego “Ursynów M-6”, którego konstruktorem jest mgr inż. A. Moldenhaver. 1972 r. – Przeprowadzono w Wielkiej Brytanii próby nowego pojazdu poduszkowego “BH.7” z załogą składającą się z czternastu osób. Próby przeprowadzone były na trasie Wielka Brytania – Szwecja przez Morze Północne. Prędkość poduszkowca w czasie prób wynosiła 101 km/h. W dzisiejszych czasach
poduszkowce stosowane są przez wojsko do zadań specjalnych, przez policję do
celów patrolowych i ratunkowych, przez różne przedsiębiorstwa przeznaczone jako
taksówki dla osób bogatych. Poduszkowiec taki potrafi poruszać się zarówno po
wodzie, bagnach jak i po lądzie. Galeria fotografii przedstawia największy poduszkowiec świata
Hoverlloyd Moutbatten SR.N4 zobacz też: film1 film2 - rozpakuj .zip ROZDZIAŁ 2. CZYM SĄ POJAZDY PODUSZKOWE Pojazdami poduszkowymi przyjęto nazywać wszystkie maszyny poruszające się tuż nad podłożem, pod wpływem siły unoszenia, powstałej w wyniku działania poduszki powietrznej i podłoża . Poduszką powietrzną nazywamy słup sprężonego powietrza, doprowadzonego pod dno pojazdu w celu oddzielenia go od podłoża. Unoszenie pojazdu na postoju i w czasie lotu następuje na skutek ciągłego tłoczenia powietrza przez dmuchawę lub wentylator pod dno pojazdu i do dysz rozmieszczonych na obwodzie poduszkowca. Stąd ogólnie można powiedzieć, że pojazd poduszkowy unoszony jest siłami pochodzącymi od poduszki powietrznej oraz od strumienia powietrza wypływającego z dysz obwodowych. Pu = Pp + T Pu – siła unosząca pojazd poduszkowyPp – siła parcia poduszki powietrznej na dno pojazdu T – siła reakcji strumienia powietrza Wielkość siły parcia poduszki powietrznej na dno pojazdu
zależy od powierzchni dna pojazdu. Natomiast siła reakcji strumienia powietrza
zależy od powierzchni zależy od ciśnienia strugi powietrza i od średnicy dysz
wylotowych. Ponadto na wielkość siły T znaczny wpływ mają również takie
parametry, jak grubość i kąt pochylenia strumienia powietrza w stosunku do
podłoża. Pojazdy poduszkowe charakteryzują się:
Do najważniejszych zalet tych pojazdów należy zaliczyć przede
wszystkim to, że mogą one bez najmniejszych przeszkód poruszać się po drogach
zaśnieżonych i oblodzonych oraz mogą swobodnie mijać zatłoczone drogi poboczami. Pojazdy poduszkowe, podobnie jak inne urządzenia, mają także i wady. Do ich wad należy zaliczyć:
ROZDZIAŁ 3. PODZIAŁ POJAZDÓW
PODUSZKOWYCH I URZĄDZEŃ Często mówi się, że pojazdy poduszkowe mogą poruszać się nad
wodami, placami, wydmami, łąkami, polami, szosami, zaspami śnieżnymi i różnymi
przeszkodami terenowymi.
Ze względu na przeznaczenie poduszkowca podzielić można je na:
Rysunek 2. Podział pojazdów poduszkowych
Poduszkowce lądowe: a – torowy, b - samochodowy
Urządzenia holowane: a – taczka, b - paleta
Ekranoplan
Połączenie śmigłowca z elementami pojazdu poduszkowego
Tablica 1. Charakterystyka rodzajowa pojazdów wykorzystujących efekt powietrzny
ROZDZIAŁ 4. ZASADA DZIAŁANIA POJAZDÓW PODUSZKOWYCH 4.1. Zjawisko powstawania poduszki powietrznej Jeżeli do pokazanego powyżej modelu zaczniemy nieprzerwanie tłoczyć powietrze, to okaże się, że model ten uniesie się na niewielką wysokość. Wysokość uniesienia modelu nad podłoże nazywamy wysokością lotu, przestrzeń zaś za wypełnioną zgęszczonym powietrzem nazwano poduszką powietrzna. Należy pamiętać, że w czasie przepływu strumienia powietrza przez model mamy do czynienia z podwyższonym ciśnieniem statycznym i dynamicznym powietrza. Stąd też zjawiskiem powstawania poduszki nazywamy efekt oddziaływania podłoża (ziemi lub wody) przez słup zgęszczonego powietrza na dno pojazdu poduszkowego. Należy tu dodać, że poduszka powietrzna to obszar podwyższonego ciśnienia, utrzymywanego w sposób trwały pod unoszącym się pojazdem. Poduszka powietrzna nie jest więc przestrzenią szczelnie zamkniętą, tak jak na przykład napompowany ponton. Lot pojazdu poduszkowego w zasadniczy sposób różni się od powszechnie znanych dotąd zasad poruszania aerostatów, samolotów, śmigłowców czy rakiet. Lot każdego poduszkowca, w przeciwieństwie do wyżej wspomnianych pojazdów jest lotem przyziemnym, wykorzystującym wpływ bliskości ziemi. Znanych jest wiele metod otrzymywania zjawiska poduszki powietrznej. Najczęściej w praktycznym wykorzystaniu tego zjawiska przy budowie urządzeń poduszkowych przyjął się następujący podział:
Rysunek 3. Podział układów wytwarzania poduszki powietrznej
a/ śmigło nieobudowane
4.2. Oddziaływanie podłoża na śmigła i wirniki nośne W latach międzywojennych podczas przeprowadzenia pierwszych
badań ze śmigłowcami, zaobserwowano pewien wpływ bliskości ziemi na wirnik
nośny. W wyniku badań tego zjawiska ustalono, że przy niewielkich wartościach
stosunku wysokości “h” uniesienia do średnicy wirnika “P” ciąg uzyskany z
jednego kW dostarczonej mocy był większy niż przy dużych wartościach tego
stosunku. Spostrzeżenie to umożliwiło wytłumaczenie, dlaczego niektóre prototypy
śmigłowców zdolne były jedynie do lotu w pobliżu ziemi. Wtedy właśnie narodziła
się myśl wykorzystania zjawiska oddziaływania bliskości ziemi do pojazdów
poduszkowych i ekranoplanów. Na czym polega to zjawisko? Okazuje się, że znajdujący się w pobliżu ziemi statek
latający ze śmigłem ustawionym pionowo lub wirnikiem nośnym wytwarza pod sobą
obszar podwyższonego ciśnienia. Napływające z góry strugi powietrza po przejściu
przez śmigło czy wirnik nośny zwiększają swoją prędkość, następnie na skutek
zetknięcia się z podłożem powodują wzrost ciśnienia statycznego. Z kolei strugi
powietrza napływają wzdłuż podłoża i tworzą najprostszą poduszkę powietrzną. Rysunek 4. Wpływ bliskości ziemi na zapotrzebowanie mocy [h/D]
Śmigło samolotu znajdujące się w pobliżu ziemi wytwarza pod
sobą obszar podwyższonego ciśnienia. Strugi powietrza napływające z góry
przyspieszają przy przejściu przez płaszczyznę wirnika, a następnie zahamowują
się przy zetknięciu z ziemią, czemu towarzyszy wzrost ciśnienia statycznego.
Następnie strugi rozpływają się wzdłuż powierzchni ziemi tworząc najprostszą
poduszkę powietrzną. Wskaźnikiem jakości takiej poduszki jest stosunek siły
nośnej wytwarzanej przez śmigło w pobliżu ziemi do siły nośnej wytwarzanej
daleko od ziemi. Dawno już stwierdzono, że w miarę przybliżania śmigła do
podłoża stosunek ten rośnie powyżej jedności. Oczywiście tuż przy samej ziemi
następuje zadławienie przepływu i spadek siły nośnej. Pozytywne oddziaływanie
bliskości ziemi powoduje, że moc potrzebna do obracania śmigła wytwarzającego
stały ciąg maleje w miarę zbliżania się do ziemi. Budując zatem pojazd oparty na
wykorzystaniu ciągu śmigła jako siły nośnej, korzystniej jest budować go jako
latający w pobliżu ziemi niż z daleka od niej. Rysunek 5. Komora wyrównawcza
(n = 0,6) Oznaczenia parametrów: Q – wydatek powietrza (kG/sek) D – średnica komory h – wysokość uniesienia dolnej krawędzi komory wyrównawczej Δp – nadciśnienie w komorze wyrównawczej [N/m2] G – ciężar poduszkowca α – kąt pochylenia ściany komory Pp - ciśnienie wywierane na poduszkępo – ciśnienie otoczenia
4.4. Układ dyszy pierścieniowej Rysunek 6. Schemat układu jednostrumieniowej dyszy pierścieniowej
Oznaczenie parametrów: Q – wydatek powietrza {kG/sek] D – średnica komory α – kąt pochylenia ściany komory dyszy G – ciężar poduszkowca po – ciśnienie otoczenia pp – ciśnienie wywierane na poduszkę h – wysokość uniesienie b – grubość dyszy pb – ciśnienie powietrza tłoczonego przez dysze Dysze pierścieniowa stała się obecnie najbardziej stosowanym
układem nośnym w pojazdach poruszających na zasadzie zjawiska poduszki
powietrznej. Szerokie zastosowanie dyszy pierścieniowej związane jest z dużą
sprawnością aerodynamiczną tego układu oraz zdolnością spełniania stawianych
przed pojazdami poduszkowymi rosnących wymagań. Pojawiają się coraz częściej
nowe rozwiązania układów dyszy pierścieniowej.
Rysunek 7. Schematy układów dyszy pierścieniowych
Jednostrumieniowa dysza pierścieniowa z recyrkulacją. Recyrkulacja jednostrumieniowej dyszy pierścieniowej polega
na wprowadzeniu części powietrza przepływającego przez układ dyszy
pierścieniowej w obieg zamknięty, z jednoczesnym wykorzystaniem jego energii.
Istnieje możliwość wykorzystania traconej energii strumienia rozproszonego w
przestrzeń przez wydmuch na zewnątrz. Jednym ze sposobów odzyskania energii
strumienia jest zastosowanie turbiny powietrznej, umieszczonej w strumieniu
wypływającym na zewnątrz. Zadaniem turbiny jest przekazywanie odzyskanej energii
na wał napędowy dmuchawy i ukierunkowanie strumienia do wylotu dmuchawy. Dzięki
recyrkulacji można uzyskać na wlocie do dmuchawy większe ciśnienie i większy
wydatek dmuchawy. W tym przypadku moc niezbędna do wytworzenia poduszki
powietrznej jest zmniejszona o wielkość mocy odzyskanej przez turbinę. Ten
rodzaj recyrkulacji nazywany jest recyrkulacją zewnętrzną (rys 7 i oraz j). Dysza Coanda. Zjawisko efektu Coanda polega na wtłoczeniu za pomocą
dmuchawy zagęszczonego powietrza do odpowiednio ukształtowanego pierścienia
obwodowego pojazdu. Przelatujące przez pierścień strugi powietrza uzyskują
zdolność przyklejania się do dna pojazdu w postaci zagęszczonej warstwy powoduje
przyrost siły nośnej na zwiększonych wysokościach lotu.
4.5. Układ oddziaływania podłoża na skrzydła lotnicze nisko lecące W wyniku badań nad zwiększaniem prędkości ruchu, bez dużego
przyrostu oporów, natrafiono na zjawiska oddziaływania podłoża na aerodynamikę
ciała poruszającego się w jego pobliżu. Zjawisko to potocznie nazywa się
ekranem.
Zjawisko ekranu charakteryzuje się:
Rysunek 8. Zależność współczynnika siły nośnej Cz od współczynnika oporu Cx i kąta natarcia α1
1 – wpływ działania ekranu 2 – obszar bez wpływu ekranu W pierwszym przypadku oznacza to, że w strefie działania
ekranu przy mniejszych prędkościach uzyskuje się większe współczynniki siły
nośnej. Zaoszczędzony w ten sposób przyrost mocy napędu można wykorzystać na
zwiększenie prędkości lotu, ponieważ opór indykowany maleje. Zmniejszenie
współczynnika oporu indykowanego tłumaczy się bliskością ekranu, który powoduje
zmniejszenie odchylenia strug za skrzydłem. Zmniejszenie odchylenia strug przy
stałej długości skrzydła powoduje wzrost współczynnika siły nośnej Cz.
Ponadto zmniejszenie oporu indukowanego obniża wartość współczynnika oporu Cx
na danych kątach natarcia, przy których opór indykowany stanowi znaczną część
całkowitego oporu skrzydła (rys. 9). Rysunek 9. Wpływ ekranu na opływ elementu nośnego
ROZDZIAŁ V. BUDOWA POJAZDÓW PODUSZKOWYCH
Kadłub pojazdów poduszkowych stanowi zespół konstrukcyjny
łączący w jedną całość wszystkie zespoły i podzespoły oraz układy unoszenia,
ruchu poziomego i sterowania. Ponadto kadłub pojazdu poduszkowego mieści w sobie
pomieszczenia dla załogi, pasażerów, odpowiedniego wyposażenia, instalacji,
zbiorników paliwowych i balastowych, a przede wszystkim a przede wszystkim
miejsce dla ładowni. Rysunek 10. Kształty kadłubów pojazdów poduszkowych. a – kołowy, b – kroplowy, c – dziobowy, d – stosowany praktycznie Wymagania stawiane kadłubom. Kadłuby wszystkich pojazdów poduszkowych powinny spełniać następujące warunki:
Kadłuby nawodnych pojazdów poduszkowych – stałościowców. Nawodne pojazdy poduszkowe rozwijają prędkość rzędu 60 – 1000
km/h. Dla klasycznych statków wypornościowych jest to prędkość praktycznie
nieosiągalna. Tak dużą prędkość uzyskuje się dzięki uniesieniu kadłubu nad wodę
podczas lotu na poduszce powietrznej. Wyniesienie kadłubu nad wodę sprzyja
ograniczeniu do minimum oporu hydrodynamicznego. Pewien niewielki opór powoduje
tylko zanurzenie podczas lotu w wodzie sztywnej ściany bocznej. Rysunek 11. Przekrój poduszkowca nawodnego stałościanu.
Dla utrzymania w miarę możliwości stałego ciśnienia w
poduszce powietrznej i tylnej części kadłubów stosowane są najczęściej
plastyczne osłony. Mniejsze i średni kadłuby stałościowców wykonane są ze stopów
metali lekkich, sklejki wodoodpornej oraz z tworzyw sztucznych. Mniejsze kadłuby
wykonane są w całości z tłoczonego tworzywa sztucznego. Kadłuby wytłaczane
wzmacniane są szkieletem z tego samego tworzywa. Są one wystarczająco wytrzymałe
oraz stosunkowo lekkie. Dobudówki kadłubowe wykonuje się również z tworzyw
sztucznych. Wyłożenia pokładów poduszkowych jednostek nawodnych są także z
tworzywa sztucznego odpowiedni spreparowanego w celu zabezpieczenia pasażerów i
załogi przed możliwością poślizgnięcia się w czasie przebywania na pokładzie.
Stosowanie tworzyw sztucznych w budowie poduszkowców związane jest z tym, że
materiały te są lekkie i przede wszystkim odporne na działanie słonej wody. Kadłuby poduszkowców wodnolądowych. Kadłuby pojazdów poduszkowych wodnolądowych powinny mieć tak dobrane główne wymiary, aby zachowywały jednocześnie własności jednostek pływających i jednostek unoszących się na poduszce powietrznej. Wymiary zewnętrzne kadłubów tj. długość i szerokość, uzależnione są od wielkości siły wyporu poduszki powietrznej. Średnio stosunek długości do szerokości kadłuba owalnego i prostokątnego zawiera się w granicach od 2:1 do 3:1. Kadłub powinien być tak zaprojektowany, aby nie powodował dużych oporów aerodynamicznych nie tylko przy ruchu do przodu, ale i przy ruchach bocznych. Chodzi tu bowiem o znoszenie pojazdu z drogi na skutek podmuchu wiatru. Dobrze zaprojektowany pojazd poduszkowy powinien mieć jak najmniej sterczących występów. Dlatego większość poduszkowych pojazdów ma obrysy zaokrąglone w płaszczyźnie pionowej i poziomej. Cała konstrukcja pojazdu poduszkowego dociążona jest siłami aerodynamicznymi masowymi. Wielkość tych sił uzależniona jest od wielkości pojazdu, ciężaru i prędkości lotu. W wyniku działania wyżej wymienionych sił konstrukcja kadłuba narażona jest na zginanie i na skręcanie. Przy obliczeniach wytrzymałościowych kadłub rozpatruje się podobnie jak płytę podpartą z równomiernie rozłożonym ciśnieniem powietrza w poduszce pod dnem pojazdu. Podczas lotu poziomego przednia część kadłuba narażona jest
na obciążenia zewnętrzne pochodzące od reakcji podłoża na lądzie, na wodzie, od
lokalnych uderzeń fal w dno i dziób pojazdu. Tylna część kadłuba narażona jest
na zgniatanie i na skręcanie momentem skręcającym oraz siłą ciągu układu ruchu
poziomego, który z reguły znajduje się na rufie. Z punktu widzenia
wytrzymałościowego dotychczasowe konstrukcje kadłubów pojazdów poduszkowych
można podzielić na: kratowe, półskorupowe, skorupowe. Najwięcej zalet mają
konstrukcje skorupowe, są one najlżejsze, przestrzeń ich można w całości
przeznaczyć na różne pomieszczenia. Nie można tego powiedzieć o konstrukcjach
kratowych. Kadłuby pojazdów poduszkowych wyposażone w aerodynamiczne układy
sterowania mają w tylnej części zabudowane usterzenie pionowe. Niektóre typy
pojazdów wyposażone są również w usterzenie poziome. Zarówno usterzenie pionowe
jak i poziome powinny znajdować się w strumieniu zaśmigłowym lub w strumieniu
dysz powietrznych. Rysunek 12 przedstawia różne modele dolnych części kadłubów pojazdów poduszkowych.
c) – kadłub z zaostrzonym dziobem. d) – kadłub charakteryzujący się efektywnym działaniem na wodzie. e) – model kadłubu o kształcie “V” z płaskim dnem. f) – model z trzema podłużnymi ścianami. Rysunek 12. Modele dolnych części kadłubów pojazdów poduszkowych
Zadaniem każdego układu unoszenia jest utrzymanie pojazdu poduszkowego podczas lotu na odpowiedniej wysokości. Najważniejszą częścią składową układu unoszenia jest dmuchawa napędzana silnikiem, dostarcza odpowiednimi kanałami zagęszczone powietrze pod dno pojazdu. Najczęściej dmuchawa i silnik stanowią jeden zespół. Istnieją jednak konstrukcje gdzie jeden wspólny silnik napędza dmuchawę i śmigło o zmiennym skoku. Zaletą takiego układu jest posiadanie jednego silnika. Wadą zaś, konieczność stosowania skomplikowanych przekładni. Rysunek 13. Schemat napędu śmigła i dmuchawy
Budowa dmuchaw i wentylatora. Wentylatory, dmuchawy, sprężarki i pompy wirnikowe należą do
grupy maszyn roboczych zwanych przenośnikami płynów (cieczy i gazów). Pobierają
one energię z zewnątrz od silnika napędzanego i przekazują ją przepływającemu
płynowi, powiększając w ten sposób jego energię wewnętrzną. Tę grupę maszyn
zaliczamy do maszyn wirnikowych. Dmuchawy promieniowe (odśrodkowe). Zwiększanie ciśnienia powietrza możliwe jest bez
doprowadzenia energii z zewnątrz przede wszystkim podczas przepływu przez
dyfuzor, w którym następuje zmiana częściowa energii prędkości na energię
ciśnienia. W przypadku gdy sprężone powietrze nie ma jeszcze dostatecznej
energii kinetycznej, wówczas jego sprężaniu konieczne jest doprowadzenie
odpowiedniej ilości energii mechanicznej, co jest związane z wykonaniem pewnej
pracy. Energię tę w dmuchawach przechowuje się powietrze w czasie jego przepływu
przez koło wirowe. Rysunek 14. Schemat wirnika dmuchawy promieniowej
Dmuchawy osiowe. Powietrze w dmuchawach osiowych przepływa równolegle do osi
wirnika, cząstki jego nie oddalają się od osi obrotu i dlatego siła odśrodkowa
działająca na cząstki powietrza nie zwiększa się. Z tego powodu całkowite
ciśnienie wytwarzane przez dmuchawę osiową jest mniejsze od ciśnienia
wytwarzanego przez dmuchawę promieniową przy tej samej prędkości obrotowej
wirnika. Dmuchawy osiowe wykonane są jako jedno- dwu- i trzystopniowe. Łopaty
dmuchawy osiowej profiluje się na odpowiedni kształt z blach lub w
konstrukcjach, gdzie łopaty mają regulowany kąt nastawienia łopat, wykorzystuje
się je na wzór śmigieł lotniczych. Rysunek 15. Dmuchawa osiowa.
Kanały przepływowe. Kanały przepływowe powinny mieć tak zaprojektowane kształty, aby na swojej drodze nie powodowały zawirowań przepływającego powietrza. Wraz ze wzrostem zawirowań rosną straty mocy w układzie unoszenia. Podczas przepływu strumienia powietrza z dmuchawy do dyszy pierścieniowej następuje nieznaczny spadek ciśnienia. Przy projektowaniu kanału w układzie unoszenia należy więc dążyć do tego, aby spadek ciśnienia był jak najmniejszy. Duży wpływ na dobrze pracujący układ unoszenia ma liczba i odpowiednie ustawienie dmuchaw, oraz gładkość powierzchni kanałów. Chropowata powierzchnia ścian i ostre zagięcia, wystające części oprzyrządowania w układzie kanałów przepływowych powodują, że przepływ strumienia powietrza staje się burzliwy, a tym samym maleje wielkość strat energii w postaci spadku ciśnienia w układzie unoszenia pojazdu poduszkowego.
Zadaniem układu ruchu poziomego jest wprowadzenie w ruch
pojazdu poduszkowego w obranym kierunku oraz wytworzenie żądanych przyspieszeń i
sił hamujących za pomocą śmigieł, dysz, śrub napędowych.
W pojazdach wodnolądowych stosuje się napęd aerodynamiczny, zaś w jednostkach wodnych przeważnie stosuje się napęd hydrodynamiczny. Rysunek 16. Schemat napędowy firmy Rolls-Royce
1 – wlot powietrza do dmuchawy, 2 – pierścień regulacyjny, 3 – śmigło przestawialne, 4 – przekładnia, 5 – regulacja dyszy, 6 – pierścień regulacyjny, 7 – turbina gazowa napędu śmigła, 8 – wlot gazów z turbiny, 9 – przepustnica, 10 – kanał przepływu gazów, 11 – turbina gazowa napędu dmuchawy, 12 – wlot gazów, 13 – przekładnia dmuchawy, 14 – dmuchawa odśrodkowa Dobór układu ruchu poziomego. Doboru układu ruchu poziomego dokonujemy w zależności od przeznaczenia pojazdu poduszkowego, od żądanych zdolności ruchowych pojazdu oraz możliwości zastosowania odpowiedniego systemu sterowania. Największe zastosowanie w pojazdach poduszkowych znajdują układy aerodynamiczne. W skład tych układów wchodzą: śmigła swobodne, śmigła obudowane, dysze powietrzne. W jednostkach nawodnych stosuje się najczęściej układy hydrodynamiczne, które obejmują: śruby napędowe (okrętowe) wytwarzające bardzo duży ciąg, śmigła obudowane oraz pędniki strugowe. Śmigła Śmigła i dmuchawy osiowe pracują na tej samej zasadzie co płat nośny. Między działaniem obu urządzeń nie ma istotnej różnicy z punktu widzenia aerodynamiki. Zadaniem dmuchawy jest przetłaczanie określonych ilości powietrza z przestrzeni o mniejszym ciśnieniu do przestrzeni o ciśnieniu większym. Natomiast zadaniem śmigła jest wytworzenie ciągu potrzebnego do nadania ruchu postępowego pojazdowi. Każde śmigło składa się z piasty osadzonej na wale napędowym łopat o profilu aerodynamicznym w przekroju poprzecznym oraz mechanizmu służącego do zmiany kąta natarcia łopat. Z punktu widzenia konstrukcyjnego, śmigła możemy podzielić na kilka typów:
Rysunek 17. Węzeł śmigła nastawnego
1 – piasta śmigła, 2 – owiewka, 3 – łopata śmigła, 4 – ciężarek wyważający łopatę, 5 – wał napędzający śmigło Zasada działania śmigła jest następująca. Śmigło obracając się zmienia prędkość strumienia. Można przyjąć, że strumień napływający na śmigło ma przekrój większy niż strumień za śmigłem. W płaszczyźnie obracania się śmigieł, następuje przyspieszenie obracania strumienia powietrza i zmniejszenie się przekroju strumienia. Z śmigłem przekrój strumienia jest mniejszy, ponieważ prędkość jest większa. Rysunek 18. Strumień śmigła
Dysze odrzutowe Pojazdy wyposażone w układ dysz odrzutowych, ruch prosty postępowy uzyskują przez odpowiednie ustawienie łopatek – kierownic w dyszach odrzutowych pod kątem do podłoża. W tego rodzaju pojazdach do uzyskania dodatkowego ciągu stosuje się jednocześnie pochylenie podczas lotu pojazdu do przodu. Pochylenie pojazdu do przodu powoduje powstanie ciągu od składowej siły nośnej. Pochylenie do przodu uzyskuje się przez zmianę środka ciężkości pojazdu. W tym celu w przedniej i tylnej części pojazdu umieszcza się duże przepustnice regulujące wpływ strumienia z poduszki, stosownie do warunków lotu. Ponadto w pojeździe umieszcza się niewielkie zbiorniki balastowe wypełnione wodą. W razie potrzeby przepompowuje się wodę z jednego zbiornika do drugiego. Na przykład w wodno-lądowym pojeździe poduszkowym CC-2 napęd poziomy składa się 65% siły powstałej przy pochyleniu pojazdu do przodu. Pozostałe 35% siły powodującej ruch pojazdu do przodu uzyskuje się z dwóch dysz obwodowych. W dyszach tych zabudowane są zestawy łopatek – kierownic, o profili lotniczym sterowane z kabiny pilota. Ruchome łopatki – kierownice przeznaczone są nie tylko do uzyskania ciągu powodującego ruch pojazdu do przodu, ale również do uzyskania sił hamowania i momentu obrotowego. Warto tu jeszcze dodać, że w pojazdach poduszkowych, z dyszami strumieniowymi znaczną część mocy otrzymujemy również z odrzutu strumienia powietrza z dysz. Rysunek 19. Zależność prędkości poduszkowca CC-2 od wysokości lotu i kąta pochylenia kadłuba
Śruby napędowe Zadaniem śruby napędowej jest wytworzenie odpowiedniego ciągu
po wprawieniu w ruch pojazdu poduszkowego. Śruba napędowa jest jedną z pędników
okrętowych. Przez pojęcie pędnika należy rozumieć urządzenie, za pomocą którego
energia silników napędowych zamienia się w ruch pojazdu poduszkowego. Śruby
napędowe składają się z kilku skrzydeł osadzonych promieniowo na wspólnej
piaście. Największe zastosowanie w pojazdach poduszkowych znajdują trzy– i
czteroskrzydłowe śruby. Śruby napędowe umieszcza się na rufie pojazdu. W śruby
napędowe wyposaża się nawodne i wodnolądowe pojazdy poduszkowe. W toku
wieloletniej modernizacji mechanizm śruby napędowej został znacznie
udoskonalony. Na szczególną uwagę zasługuje tzw. mechanizm Z, za pomocą którego
można bardzo łatwo wynieść urządzenie śruby napędowej nad powierzchnię wody. Pędniki strugowe Zasadniczymi elementami pędnika strugowego są:
W konfuzorze powstaje pęd wywołany przyspieszeniem wody. Ponadto w konfuzorze wbudowany jest dławik przeznaczony do zmniejszania i zwiększania strumienia wody, co umożliwia rozwijanie żądanej prędkości statku. Wyrzucana z dyszy woda uzyskuje energię od pompy wodnej lub od sprężonego powietrza. Do zalet pędników strugowych należy zaliczyć:
O możliwościach wykorzystania pędnika strugowego w pojazdach
poduszkowych decyduje przede wszystkim zdolność przenoszenia dużych mocy oraz
duża sprawność pędnika przy dużych prędkościach. Rysunek 21. Rodzaje pędników strugowodnych
a – pędnik poduszkowca z pompą dwustopniową, b – wodolot z pędnikiem z pompą, c – pędnik z “pompą cieplną”, d – pędnik z przetłaczaniem dynamicznym wody
Układy sterowania służą do kierowania pojazdami poduszkowym zgodnie z wolą prowadzącego pojazd. Każdy układ powinien zapewniać potrzebną liczbę stopni swobody dla poszczególnych rodzajów pojazdów poduszkowych. Układ sterowania obejmuje sterownicę i cięgna lub linki służące do połączenia sterownic ze sterami. Sterownice mogą być ręczne lub nożne. Najogólniej układy sterowania pojazdami poduszkowymi można podzielić na:
Najszersze zastosowanie znajduje sterowanie aerodynamiczne,
stosowane w pojazdach wodnolądowych. Sterowanie hydrodynamiczne stosuje się w
pojazdach poduszkowych nawodnych.
Do hydrodynamicznych układów sterowania zaliczamy:
Rysunek 22. Układy sterowania pojazdami poduszkowymi
a – śmigło obudowane (stałe), stery aerodynamiczne; b – śmigło nie obudowane
(stałe) stery aerodynamiczne; c – śmigło stałe, ster aerodynamiczny; d – śmigło
obrotowe; e – śmigła obrotowe, stery aerodynamiczne; f – śmigło stałe, stery
aerodynamiczne, stery hydrodynamiczne; g – śruba napędowa, stery
hydrodynamiczne; h – ruchoma śruba napędowa, stery hydrodynamiczne; i –
sterowanie kołami za pomocą układu kierowniczego; j – sterowanie za pomocą
hamowania poszczególnymi kołami Układ sterowania typu lotniczego Rysunek 23. Układ sterowania typu lotniczego
1 – sterownica, 2 – dźwignia regulacji osłon (prawa osłona), 3 – dźwignia regulacji osłon (lewa osłona), 4 – węzeł mocowania, 5 – pedał gazu, 6 – pedał hamulca śmigła przestawialnego, 7 – pedał sprzęgła śmigieł, 8 – statecznik pionowy, 9 – ster kierunkowy, 10 – kieszeń dodatkowego nadmuchu na ster kierunkowy, 11 – ster kierunkowy, 12 – ster przechyłu podłużnego, 13 – śmigło, 14 – zawór instalacji hydraulicznej Przedstawiony na rysunku układ zapewnia 6 stopni swobody:
Sterowanie obrotami odbywa się za pomocą momentów, sterowanie
przemieszczeń za pomocą sił, które wywoływane i likwidowane są zależnie od
życzenia prowadzącego pojazd. Umieszczenie w strumieniu śmigieł dwóch sterów
kierunku pozwala na uzyskanie momentu obrotowego wokół osi “Z” podczas pracy
śmigieł. Dla poprawienia skuteczności sterów, szczególnie podczas obrotu pojazdu
w miejscu, wprowadzono dodatkowy nadmuch powietrza z układu unoszenia na stery.
W skład usterzenia wchodzą także dwa stery poziome, służące do uzyskania momentu
obrotowego wokół osi “g”. Obrót wokół osi “t” uzyskuje się przez odpowiednie
regulowanie wysokości elastycznej osłony poduszki powietrznej. Układ sterowania dyszami odrzutowymi Z punktu widzenia konstrukcyjnego układ sterowania typu
lotniczego ma wiele zalet i jest skuteczny w działaniu. W porównaniu jednak z
układem sterowania dyszami układ ten ma również szereg wad. Do nich możemy
zaliczyć większe wymiary zewnętrzne pojazdu oraz niebezpieczeństwo obsługi przy
pracującym śmigle. Pojazd wyposażony w układ sterowania dyszami ma prosta
budowę, bardziej opływowe kształty, mniejsze wymiary. Pilot automatyczny Pilot automatyczny przeznaczony jest do stabilizacji położenia pojazdu poduszkowego względem osi poziomej, podłużnej i poprzecznej. Pilot automatyczny może prowadzić bez ingerencji prowadzącego pojazd po ściśle ustalonym kursie, utrzymując równocześnie dopuszczalne przechyły boczne i pochylenie do przodu lub do tyłu. Umożliwia on również utrzymanie stałej wysokości lotu nad wodą. Niektóre typy pilotów automatycznych pozwalają na wykonanie skoordynowanego zakrętu pojazdu poduszkowego, zwiększają w ten sposób bezpieczeństwo lotu. W praktycznym zastosowaniu spotykamy najczęściej poloty automatyczne zasilane hydraulicznie lub elektrycznie. Istota automatycznego sterowania polega na tym, że każde pochylenie pojazdy poduszkowego od ustalonego stanu ruch powoduje wychylenie steru kierunku lub wysokości, albo uruchomienie przepustnic ustateczniających. Uruchomienie sterów i przepustnic powoduje powrót pojazdu poduszkowego do ustalonych warunków lotu. Z chwilą powrotu pojazdu do ustalonego stanu lotu, wychylone stery i przepustnice wracają w położenia wyjściowe. Współczesne piloty automatyczne składają się z trzech podzespołów o podobnych układach: automatu stabilizacji kursu, stabilizacji poprzecznej i podłużnej. W każdy układ stabilizacji wchodzi element czuły, wzmacniacz, część wykonawcza oraz obwód sprzężenia zwrotnego.
Silniki do poduszkowców powinny charakteryzować się małym ciężarem, niskim jednostkowym zużyciem paliwa i cicha pracą. Wymagania te najczęściej spełniają silniki turbinowe. Mają one mały ciężar jednostkowy, mniejszy niż silniki tłokowe, przy czym ich jednostkowe zużycie paliwa nie tak wiele przewyższa jednostkowe zużycie paliwa silników tłokowych. Pod względem kształtu silniki turbinowe również nie są gorsze od silników tłokowych. Ogólnie można powiedzieć, że silnik turbinowy ma mniej źródeł hałasu od silnika tłokowo. Głównym źródłem hałasu w silnikach turbinowych są wloty do sprężarki i wylot gazów spalinowych. Hałaśliwość pracy silników turbinowych nie stanowi już obecnie problemu nieopanowanego. Poza tym na korzyść silników turbinowych należy zapisać znacznie mniejszą szkodliwość gazów spalinowych dla otoczenia. W silnikach turbinowych następuje bowiem zupełne spalanie paliwa przy dużym nadmiarze powietrza, co powoduje, co powoduje że gazy spalinowe tych silników zawierają znacznie mniej związków toksycznych. Zalety silników turbinowych spowodowały, że znalazły one obecnie prawie wyłączne zastosowanie także do napędu pojazdów poduszkowych.
ROZDZIAŁ 6. ZASTOSOWANIE PODUSZKOWCÓW 6.1. Transport wodny: przybrzeżny i rzeczny Przybrzeżna żegluga morska jest najstarszą zorganizowaną
formą komunikacji człowieka. Wybrzeża Morza Śródziemnego, Oceanu Indyjskiego czy
też mórz oblewających inne starożytne ośrodki stanowiły naturalne szlaki
komunikacyjne od najdawniejszych czasów. Z biegiem lat, kiedy nauczono się
budować większe statki, wytrzymałe na pełnomorską falę, kiedy nauczono się
orientować w bezkresnych przestrzeniach według słońca, gwiazd i prymitywnych
kompasów, żegluga morska odegrała przełomową rolę w historii rozwoju człowieka.
Jednak masowy transport pasażerski zaczął w XX wieku tracić na popularności na
rzecz transportu lotniczego. Wielkie poduszkowce morskie będą musiały pokonać trzy podstawowe trudności:
Ogromną zaletą poduszkowców morskich będzie to, będą mogły
poruszać się w rejonach podbiegunowych unosząc się nad polami lodowymi, rejonem
dotychczas niedostępnym dla normalnych statków, dzięki czemu zamarzające zimą
porty, których na Alasce czy Syberii jest wiele, będą mogły być czynne przez
cały rok.
Wszelkie formy transportu na poduszce powietrznej po drogach publicznych nie znajdą zastosowania, ponieważ:
Niewiele mniej niż połowa powierzchni lądu to góry i pagórki
o wzniesieniach większych niż 10%, a znaczny procent powierzchni zajmują również
lasy, miasta i rzeki o stromych brzegach, tereny te są praktycznie niedostępne
dla poduszkowców. Tak więc pozostają właściwie jedynie obszary płaskie równinne,
jednak zastosowanie poduszkowców jest celowe przede wszystkim tam, gdzie grzęzną
pojazdy kołowe.
ROZDZIAŁ 7. PRZEGLĄD KONSTRUKCJI
I. Pojazd poduszkowy NM-6/SR-2 Stocznia Ustka (Polska) Poduszkowiec NM-6/SR-2 został zaprojektowany do zadań
ratowniczych, patrolowych i kontrolnych na obszarach obejmujących wody
śródlądowe oraz na osłoniętych wodach przybrzeżnych i na lądzie. Jednostka ma
kadłub o długości 6,35 m. Jej nośność jest przewidziana na 500 kg. Umożliwia to
do wzięcia na pokład czterech osób, 100 kg wyposażenia i zapasu paliwa
umożliwiającego przebycie 250 km. Poduszkowiec osiąga prędkość około 70 km/h.
Rysunek 24. Schemat budowy pojazdu poduszkowego NM-6/SR-2.
II. Pojazdy poduszkowe firmy “Hovertech S.A.” (Polska) Pojazdy Poduszkowe firmy Hovertech to całkowicie polska
konstrukcja. Wykorzystywane one są do celów rekreacyjnych, reklamowych,
ratowniczych a także przez specjalne służby do patrolowania w terenie
trudnodostępnym. W każdym z modeli istnieje możliwość zabudowy przeszklonej
kabiny przedniej, lub owiewki przedniej osłaniającej pilota-operatora. Zamykana
kabina to obniżony poziom hałasu, osłona przed kurzem i bryzgami wody a także
możliwość podłączenia ogrzewania od silnika a także możliwość podłączenia
ogrzewania niezależnego. Zespół napędowy poduszkowców Hovertech HT-P200 i
HT-P400 składa się z jednego silnika oraz 9-łopatowego wentylatora. Jeden
wentylator wystarcza do uzyskania prędkości postępowej jak i strumienia
powietrza potrzebnego do unoszenia pojazdu. Poduszkowiec Hovertech HT-P500 ma
dwa niezależne układy. Układ ruchu poziomego składa się z silnika i dwóch
wentylatorów. Układ ruchu pionowego z oddzielnego silnika napędzającego
wentylator. Układ ten znajduje się z przodu pojazdu. Sterowanie pojazdem odbywa
się za pomocą sterów umieszczonych w strumieniu wentylatora. PODUSZKOWIEC HT-P200
PODUSZKOWIEC HT-P400
PODUSZKOWIEC HT-P500
III. Pojazdy poduszkowe firmy Hovertechnics Inc. (USA) Pojazdy poduszkowe tej firmy wykorzystywane są do celów
rekreacyjnych, ratowniczych i do patrolowania trudnodostępnych terenów
znajdujących się w pobliżu akwenów wodnych. Wszystkie przedstawione modele tej
firmy zaopatrzone są w jeden silnik, który napędza wentylator. Strumień
wytworzony przez ten wentylator wystarcza do uzyskania prędkości postępowej
przez poduszkowiec i do uzyskania strumienia potrzebnego do unoszenia pojazdu.
Modele Howerguard 800 i Howerguard 1000 zaopatrzone są dodatkowo w boczne osłony
– stateczniki, które zapobiegają występowaniu zawirowań powietrza i ułatwiają
prowadzenie pojazdu. Sterowanie poduszkowcem odbywa się za pomocą
aerodynamicznych sterów umieszczonych w strumieniu wentylatora.
IV. Pojazd poduszkowy Griffon Hovercraft – 375TD (Wielka Brytania) 375TD to pięciomiejscowy pojazd poduszkowy. Jest to wodnolądowy pojazd przeznaczony do patrolowania nabrzeży. 375TD jest pojazdem używanym przez warszawską policję do patrolowania Wisły i jej brzegów. Masa tego pojazdu wynosi 1,5 tony. Wyposażony jest on w 111 konny silnik wysokoprężny firmy Land Rover. Jednostka ta może poruszać się po wodzie z prędkością 55 km/h. Silnik ten napędza również dwa niewielkie śmigła wchodzące w skład układu unoszenia i 2-u metrowy wiatrak wchodzący w skład układu ruchu poziomego. Sterowanie pojazdu odbywa się za pomocą sterów aerodynamicznych umieszczonych w strumieniu śmigła.V. Pojazd poduszkowy SR.N4 – Mauntbatten (Wielka Brytania) Budowę tego największego poduszkowca rozpoczęto w 1966 roku.
W 1968 rozpoczął on regularne rejsy na trasie Dover – Boulogne (kanał La
Manche). SR-N4 jest pojazdem wodnolądowym o udźwigu – ciężarze użytecznym 67
ton. Całkowity ciężar pojazdu wynosi 183 tony. Pojazd jest całkowicie zbudowany
z materiałów lekkich (stopy aluminium). Napęd składa się z czterech silników
turbo-spalinowych o mocy 2500 KW każdy. Długość SR.N4 wynosi 39,67 m, z czego na
długość 36 m. mogą być ustawione pojazdy mechaniczne. Po obu stronach pokładu
umieszczone są parami silniki. Każdy silnik napędza czteropłatowe śmigło o
średnicy 5,79 m. Sterowanie (siłą) obrotową śmigła odbywa się elektrycznie z
kabiny prowadzącego pojazd. Fartuch osłony elastycznej wykonany jest z keoprenu
przeplatanego tkaniną nylonową.
|