скачать книгу бесплатно
2. Определениепотребности, которую необходимо удовлетворить.
3. Выбор главной функции, способной удовлетворить выбранную потребность.
4. Выбор принципа действия, способного наилучшим образом выполнить главную функцию.
5. Выбор вида рабочего органа, способного наилучшим образом выполнять принцип действия системы.
6. Выбор источника и преобразователя вещества, энергии и информации. Они должны наилучшим образом обеспечивать работоспособность системы.
7. Выбор системы управления.
8. Выбор связей. Существенным образом зависит от выбранных элементов.
Анализ существующих систем
Бенчмаркинг
Первоначально желательно проводить анализ наилучших систем на рынке (бенчмаркинг). Этот анализ проводится по определенным продуктам, параметрам этих продуктов и главным функциям продуктов. Он проводится с целью определения наивысших показателей в мире по данному продукту и по данной функции. Таким образом выявляется эталон, к которому следует стремиться или даже превысить его.
Анализ выявления недостатков
Выявление недостатков осуществляется по методике изложенной в п. 1.7.3, книга 1.
Определение потребности
1. Определение потребности, которую удовлетворяет исследуемая система, например, используя системный анализ (п. 1.7.2, книга 1).
2. Выявление альтернативных потребностей, используя закономерности развития потребностей (глава 11, книга 2).
3. Выбор наилучшей потребности. Критерии выбора определяет компания.
Выборглавной функции
1. Определение главной функции, исследуемой системы, например, используя системный анализ (п. 1.7.2, книга 1).
2. Выявление альтернативных главных функций, используя закономерности изменения функций (глава 12, книга 2).
3. Выбор наилучшей главной функции. Критерии выбора определяет компания.
Выборпринципа действия
1. Определение принципа действия, исследуемой системы, например, используя системный анализ (п. 1.7.2, книга 1).
2. Выявление альтернативных принципов действия, используя различные виды эффектов (физические, химические, биологические, геометрические и т. п.) и/или трансфер технологий.
3. Выбор наилучшего принципа действия. Критерии выбора определяет компания.
Выборвида рабочего органа
Рабочий орган должен наилучшим образом выполнить выбранный принцип действия системы.
Выбористочника и преобразователя
Источник и преобразователь вещества, энергии и информации должны наилучшим образом обеспечить работоспособность рабочего органа.
Выборсистемы управления
Система управления должна наилучшим образом создавать работоспособность всей системы.
Выборсвязей
Связи между элементами должны наилучшим образом создавать работоспособность всей системы.
13.6.3. Построение судна
Описание альтернативных способов построения судна начнем с выявления главной функции.
Главная функция судна – перемещение по воде.
Ниже мы представим некоторые альтернативы исполнения рабочего органа, источника и преобразователя энергии, систем управления и корпусов.
Первоначально рассмотрим возможные виды рабочего органа. Рабочим органом любого средства передвижения, в том числе и судна, является движитель.
Движитель
На поверхности воды движитель для реакции опоры может использовать воздух, воду, их сочетание или одновременно две среды.
Первоначально рассмотрим альтернативы движителей, использующих воздух.
Пример 13.41.Движители, использующие воздух
К движителям, использующим энергию ветра, относятся: парус, крыло, вращающийся ротор и т. д. В судостроении их принято называть ветродвижителями (рис. 13.10).
Рис. 13.10. Ветродвижители[9 - Крючков Ю. С., Перестюк И. Е. Крылья океана. – Л.: Судостроение, 1983. С. 38.]
а – мягкие паруса; б— полужесткие паруса; в – жесткие паруса-крылья; г – авторотирующий пропеллер; д – вращающийся ротор, работа этого ротора основана на эффекте Магнуса
Теперь рассмотрим альтернативы движителей, использующих воду.
Пример 13.42.Движители, использующие воду
Воду для «опоры» используют следующие движители: весло, гребное колесо и гребной винт, водомет, реактивная струя (рис. 13.11).
Рис. 13.11. Движители, использующие воду
Источник и преобразователь энергии Двигатель
В качестве двигателей в судах используют: дизель, турбину, атомный реактор и значительно реже электродвигатель. Раньше использовали весла, паровой двигатель.
Пример 13.43.Двигатели
Наиболее часто встречающиеся в судостроении двигатели показаны на рис. 13.12[10 - Суда и судоходство будущего: Пер. с нем. / Шенкнехт Р., Люш Ю., Шельцель М. И. др. – Л.: Судостроение, 1981. – 208 с. – С. 69.].
Рис. 13.12. Судовые энергетические установки:
1 – низкооборотный дизель, непосредственно работающий на гребной винт; 2 – дизель-редукторная установка; 3 – паротурбинная установка; 4 – газовая турбина; 5 – атомная установка; 6 – газотурбинная установка с электрической передачей на винт.
Источники энергии
Существует много различных источников энергии. В судостроении в основном используются нефтепродукты. В меньшей степени используется атомная энергия. Снова начинают использовать энергию ветра (некоторые примеры были приведены выше). Незначительно используется энергия солнца. Совсем не используется вода и движение волн.
В автомобилестроении имеются тенденции уменьшить загрязнение окружающей среды. Уже выпускаются гибридные автомобили, использующие комбинированные источники топлива.
Многие компании сейчас разрабатывают автомобили, использующие экологически чистые виды энергии:
• электричество;
• водород;
• воду;
• воздух;
• биологическое топливо.
Пример 13.44. Водяной двигатель
В. Д. Дудышев предложил проект водяного двигателя[11 - URL: http://www.ntpo.com/izobreteniya-dudysheva/6850-metody-preobrazovaniya-energii-elektrogidravlicheskogo-udara-i-kavitacii-zhidkosti-v-teplo-i-inye-vidy-energii.html (https://ridero.ru/link/IIa9hRPZlYgVJQ).]. Двигатель работает за счет создания электрогидравлического давления воды, образованного электрогидравлическим ударом. Эта энергия преобразуется в механическую, например, за счет движения поршня аналогично ДВС или иным путем, например, роторными, по аналогии с роторным двигателем Ванкеля.
На рис. 13.13 представлен электроводяной поршневой двигатель. При электроразряде через воду происходит электрогидравлический удар. В рабочей камере двигателя образуется перепад давления воды, который перемещает поршень.
Для сглаживания динамической нагрузки в момент такого удара предложен специальный электромагнитный демпфер-накопитель. Этот управляемый по силе удар образуется в момент мощного электрического (искрового, дугового) разряда через жидкость (электрогидравлический эффект Юткина).
Рис. 13.13. Двухпоршневой электрогидравлический двигатель
Пример 13.45. Воздушный двигатель
Индийская компания Tata создала автомобиль под названием Air Car (рис. 13.14). Двигатель к этому автомобилю разработал французский конструктор Гай Негре. В качестве топлива используется сжатый воздух, который вырабатывается уникальным компрессором. «Топливо» находится в карбоновых баллонах объемом 340 л. Заправить автомобиль можно за две минуты на любой АЗС или с помощью прилагаемого компрессора за 4 ч. По расчетам производителей, заправка автомобиля на АЗС обойдется не дороже полутора долларов. Между двумя полными заправками Air Car способен пройти до 200 км при максимальной скорости 109 км/ч.
Принцип работы двигателя Негре – смешение горячего и холодного воздуха, сжатого до давления в 300 атмосфер. Два этих потока, попадая в одну емкость, резко расширяясь, перемещают поршень ДВС.
Преимущества нового типа топлива очевидны: никаких вредных выхлопов, экономия расходных материалов – масло можно будет менять только после 50 000 км.
Рис. 13.14. Air Car
Пример 13.46. Биологическое топливо
Компании Tokyo Metropolitan Government, Nippon Oil Corporation (NOC), Toyota Motor Corporation (TMC) и Hino Motors, Ltd. (Hino) разработали второе поколение биологического топлива[12 - Joint Project to Commercialize Second-Generation Biodiesel Fuel, February 6, 2007 URL: https://newsroom.toyota.co.jp/en/detail/275857 (https://ridero.ru/link/hOV8S01sGUwloO).].
Описанные выше двигатели могут быть приспособлены и для судов.
Выше приведены примеры использования энергии ветра в ветродвижителях. Рассмотрим некоторые другие возможности.
Пример 13.47.Ветряк
Канадский изобретатель Фред Фергюсон (Fred Ferguson) и его компания Magenn Power разработали новый тип ветрогенератора (рис. 13.15), названный Magenn Power Air Rotor System (MARS), представляющий собой привязной вращающийся ротор, заполненный гелием. Ветряк поднимается на высоту 120—300 м.
Рис. 13.15. Ветрогенератор MARS
Ротор снабжен лопастями-чашками и вращается в горизонтальной плоскости. Привязь и кабель, по которому энергия доставляется вниз, подведены к оси аэростата, на которой находятся электрогенератор и стабилизаторы.
Возникающий эффект Магнуса повышает стабильность аппарата, так как при росте скорости ветра MARS стремится подняться выше вместо того, чтобы прижиматься к земле, как делал бы простой воздушный шарик на привязи. Благодаря чему ветряку не требуется какого-то специального управления.
По расчетам компании, MARS сможет нормально работать при скоростях ветра 1—28 м/с. Этот диапазон шире, чем у распространенных типов ветрогенераторов.
Можно предположить, что такие ветрогенераторы будут использоваться на судах.
Покажем некоторые примеры использования энергии солнца.
Пример 13.48.Парус – солнечная батарея
Построены яхты, у которых паруса-крылья покрыты солнечными батареями (рис. 13.16). Паруса могут не только вращаться вокруг вертикальной оси, но и наклоняться, отслеживая солнечные лучи.
Рис. 13.16. Парус – солнечная батарея
Имеются проекты использования морских течений, приливов, отливов и движения волн.
Пример 13.49.Волновые электростанции
Австралийская компания BioPower спроектировала оригинальные вариации приливных и волновых электростанций (рис. 13.17).
В волновой станции BioWAVE используются поплавки, погруженные в воду. Аппарат крепится ко дну на сравнительно небольшой глубине. Подводные потоки, раскачивающие поплавки, приводя в движение генератор. Во время шторма поплавки наклоняются вниз и укладываются параллельно дну.
Станция BioSTREAM утилизирует энергию приливных течений, используя лопасть в виде хвостового плавника акулы. Плавник прикреплен к 20-метрововму рычагу, сидящему на валу электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию за счет движения. Такой плавник как флюгер улавливает движение воды в любом направлении.
Рис. 13.17. Приливные и волновые электростанции
Возможно, в будущем двигатели на судах будут использовать комбинации различных видов экологически чистых источников энергии.
Корпус
Корпуса могут различаться по их количеству, виду и материалу, из которого они сделаны.
Количество корпусов
Пример 13.50.Количество корпусов судна
Один корпус – рис. 13.18а, два корпуса – катамаран (рис. 13.18б), три корпуса – тримаран (рис. 13.18в), четыре и более корпусов – полимаран (рис. 13.18г). Судно с пятью корпусами называется пентамораном (рис. 13.18г).
