Поиск эффективных способов преобразования энергии морских волн в энергию поступательного движения судна

Судно в океане постоянно встречается с волнами.
Их энергия вызывает качку и напряжения от ударов волн.
Для уменьшения качки применяются разные успокоители. Но они либо громоздкие и сложные (успокоительные цистерны и гироскопы), либо часто ломаются от ударов волн (стабилизаторы), либо мало эффективные (скуловые кили).
Кроме того, уменьшая качку, они увеличивают нагрузки от волн на судно.

Цель исследования:
На основе исследования гидродинамики взаимодействия волнения с преобразователями энергии волн плавучего объекта поиск эффективных способов преобразования энергии морских волн в энергию поступательного движения судна. Другими словами, цель состоит в создании эффективных волновых движителей.
Задачи исследования.
Анализ информационных источников по вопросам проектирования.
Классификация волновых движителей.
Постановка и решение изобретательской задачи.
Компьютерное моделирование и численные исследования волновых движителей.
Создание модели волнового движителя и экспериментальные исследования.
Анализ результатов исследований и оценка эффективности рассматриваемого волнового движителя.

1 - скорость судна с ВД;
2 - скорость судна на тихой воде;
3 - скорость судна без ВД
Зависимость скорости судна от интенсивности встречного волнения:
Типичный сухогруз длиной 100 м имеет мощность двигателя 3-5 тыс. кВт.
Средние волны в открытом море имеют мощность 30 – 50 кВт на 1 м фронта.
По длине судна получим: 30 * 100 = 3 тыс. кВт.
Таким образом, для многих типов судов энергии волн будет вполне достаточно для того, чтобы заменить традиционные двигатели, если энергию использовать по всей длине судна или площади его ватерлинии.

Еще в 60-х годах ХХ века специалисты серьёзно задумались над созданием корабельного движителя, использующего энергию волн для движения судна. Сам волновой движитель и все его вспомогательные механизмы были смонтированы в носу судна в бульбовом обтекателе .Проведённые морские испытания показали надёжность созданной конструкции, экономию топлива и увеличение скорости хода, а значит и дальности плавания .
Волновой движитель на бульбовом обтекателе
Модель судна с волновым движителем П.Б.Грабовского

Глайдер разработки СамГТУ
Судно Suntory Mermaid II
Судно E/S Orcelle

Схема судна с парусом – волнодвижителем
Волновой движитель на основе труб с клапанами
Судно с крылом на упругих подводных корпусах

на основе крыльев (жесткие, гибкие, автоматические);
на основе применения поплавков, клапанов; на основе использования промежуточных преобразователей энергии (генератор)
движущиеся створки;
без применения движущихся элементов;
комбинированные системы.
Классификации волновых движителей
использующие энергию качки судна (глубоко погруженные ВД или преобразователи на качающемся судне);
расположенные в районе поверхности воды, использующие наибольшую энергию орбитального движения в волнах.
В зависимости от концепции отбора энергии,
ВД можно разделить на два типа:

На основе анализа гидродинамики волн и патентов волновых движителей сформулированы принципиальные требования к ВД:
1.Энергия волн прямо пропорциональна длине их фронта, поэтому рабочий орган преобразователя должен быть вытянут по фронту.
2.Так как волновые давления имеют переменный характер, то движитель должен работать как выпрямитель, создавая тягу в одном направлении (по аналогии с полупроводниковым диодом или диодным мостом).
3.Корпус судна, обеспечивающий плавучесть, не должен подвергаться интенсивным волновым нагрузкам, а волновой движитель должен непосредственно утилизировать энергию волн
4.Энергия волн максимальна на поверхности моря, поэтому волновой движитель должен располагаться у поверхности, а корпус судна должен быть заглублён для уменьшения волновых нагрузок
5.Для обеспечения прочности волнового движителя от штормовых нагрузок в его элементах не должно возникать больших изгибных напряжений. Желательно, чтобы не было и ненадёжных подвижных соединений

Выполнен системный анализ волнового преобразователя

Движители – поворачивающиеся лопасти, расположенные в ряд по длине и ширине корпуса судна
Катамаран с движителями – поворачивающимися сворками между корпусами
СМПВ с движителями – клапанами
С применением ТРИЗ получены разные идеи ВД:

Модель комбинированного движителя в виде плавников
с клапанами
Многокорпусное СМПВ с гибкими плавниками

Катамаран с движителем в виде наклонной пластины
Изобретение, послужившее близким прототипом предлагаемого ВД:

Создан проект модели для проведения экспериментов в опытовом бассейне
В связи с задержкой изготовления подводных корпусов для проведения первых опытов была изготовлена упрощённая модель судна в виде катамарана

Модель волнового движителя на стадии изготовления:

Модель двухкорпусного СМПВ (вид с носа)
Модель двухкорпусного судна (вид с кормы)

Модель двухкорпусного судна (вид сверху)
Модель двухкорпусного судна (вид сбоку)

Эксперименты в опытовом бассейне показали следующие результаты
При встречном волнении модель относит назад. Скорость дрейфа зависит от осадки модели и от размеров волн. При малой осадке, когда волны не достают до движителя, происходит дрейф назад. При большей осадке, когда волны активно контактируют с движителем, скорость дрейфа незначительно снижается. При увеличении длины волн скорость дрейфа также не увеличивается.
Это означает, что волновой движитель сопротивляется дрейфу.
Тем не менее, движение назад сохраняется и сопровождается значительной килевой качкой, которая существенно мешает работе движителя.

При попутном волнении средняя скорость дрейфа возрастает почти в 3 раза и приближается к скорости Fr = 0.1 (по отношению к длине судна). При этом скорость имеет переменный характер и в отдельные моменты «захвата» модели попутной волной она приближается к фазовой скорости волны.
Но так же, как и на встречном волнении, движению мешает килевая качка.