судовая движительно-двигательная установка типа "поворотная колонка"

Формула изобретения

1. Судовая движительно-двигательная установка типа "поворотная колонка", содержащая заключенный в герметичный обтекаемый кожух приводной электродвигатель и соединенный с ним посредством вала гребной винт, причем кожух установлен с возможностью поворота в горизонтальной плоскости, отличающаяся тем, что за гребным винтом соосно с ним установлен контрпропеллер, выполненный с возможность вращения и снабженный автономным электродвигателем, при этом последний размещен перед приводным электродвигателем, а его вал установлен внутри выполненного полым и проходящего сквозь закрепленную на его конце ступицу вала гребного винта и соединен другим своим концом со ступицей контрпропеллера, причем боковая поверхность последней в кормовом и носовом торцевых сечениях плавно сопряжена соответственно с поверхностью концевого обтекателя контрпропеллера и посредством боковой поверхности ступицы гребного винта - с поверхностью кормовой части кожуха и образует с последними гидродинамически обтекаемое тело.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что контрпропеллер с приводом выполнен с возможностью реверса.

3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что гребной винт и контрпропеллер размещены в направляющей насадке, прикрепленной, например, к корпусу кожуха при помощи профилированных кронштейнов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области судостроения, в частности к конструкциям судовых движительно-двигательных установок типа "поворотная колонка".

Известна судовая движительно-двигательная установка типа "поворотная колонка", содержащая гребной винт, горизонтальную и вертикальную линию приводных валов и двигатель, размещенный в корпусе судна (А.Д.Гофман. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. -Л.: Судостроение, 1988, с 17).

Указанное устройство имеет угловую передачу крутящего момента от двигателя к движителю, что уменьшает надежность конструкции, снижает КПД за счет дополнительных механических потерь. Расположение двигателя в корпусе судна уменьшает полезный объем трюмов судна.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому, принятым за прототип изобретения, является судовая движительно-двигательная установка типа "поворотная колонка" с электродвигателем, размещенным в обтекаемом корпусе колонки (гондоле) (журнал "Navigator", Международный морской журнал N 2/94, с. 8, фото-движитель типа "Azipod").

Конструкция прототипа предусматривает размещение электродвигателя в герметичном обтекаемом кожухе поворотной колонки, что увеличивает полезный объем трюмов судна, а также количество альтернативных вариантов компоновочных решений общего расположения в корпусе судна.

Недостатком прототипа являются пониженный коэффициент полезного действия установки вследствие гидродинамических потерь на корпусе обтекателя ступицы гребного винта.

Указанные потери связаны с разряжением на обтекателе ступицы (результирующая сила направлена против вектора упора), которое возникает из-за наличия ступичного вихря за гребным винтом. Ступичный (осевой) вихрь появляется вследствие индуцированных гребным винтом окружных (тангенциальных) вызванных скоростей потока. Кроме того, следует отметить, что, относительный диаметр ступицы гребного винта устройства - прототипа из-за размещения электродвигателя составляет не менее d_ст/D = 0,3. При относительном диаметре ступицы гребного винта d_ст/D = 0,3 потери на обтекателе (уменьшение упора гребного винта) составляют 4 - 5% (А.А. Русецкий. Гидродинамика винтов регулируемого шага. -Л.: Судостроение, 1968, с.28 рис. 23, 24).

Предлагаемое изобретение направлено на увеличение коэффициента полезного действия движительно-двигательной установки типа "поворотная колонка".

При этом решена задача создания конструкции судовой движительно-двигательной установки типа "поворотная колонка", позволяющей за счет максимально возможного устранения гидродинамических потерь и создания дополнительного упора обеспечить увеличение КПД последней, преимущественно при ее использовании в качестве главной пропульсивной установки, с одновременным улучшением возможностей управляемости и маневренности судна при минимальных энергетических затратах.

Это достигается тем, что в предлагаемой судовой движительно-двигательной установке типа "поворотная колонка", содержащей заключенный в герметичный обтекаемый кожух приводной электродвигатель и соединенный с ним посредством вала гребной винт, причем кожух установлен с возможностью поворота в горизонтальной плоскости, в отличие от прототипа, за гребным винтом соосно с ним установлен контрпропеллер, выполненный с возможностью вращения и снабженный автономным электродвигателем, при этом последний размещен перед приводным электродвигателем, а его вал установлен внутри выполненного полым и проходящего сквозь закрепленную на его конце ступицу вала гребного винта и соединен другим своим концом со ступицей контрпропеллера, причем боковая поверхность последней в кормовом и носовом торцевых сечениях плавно сопряжена, соответственно, с поверхностью концевого обтекателя контпропеллера и посредством боковой поверхности ступицы гребного винта с поверхностью кормовой части кожуха и образует с последним гидродинамически обтекаемое тело. В качестве приводного и автономного двигателей используют два электродвигателя переменного тока, в зависимости от мощности либо синхронных, либо асинхронных короткозамкнутых (при меньшей мощности), каждый из которых соединен со своим автономным статическим преобразователем частоты. Ступица гребного винта, его вал и вал приводного электродвигателя соединены последовательно и выполнены насквозь по всей длине полыми, в этом полом по всей длине валопровода пространстве размещен второй вал вращения, на кормовом конце которого непосредственно за гребным винтом закреплен контрпропеллер, а носовой частью вал контрпропеллера соединен с ротором своего автономного электродвигателя. Вращающийся за гребным винтом контрпропеллер, образуя с гребным винтом соосную пару противоположного вращения, устраняет гидродинамические потери, свойственные прототипу, и дополнительно повышает КПД устройства благодаря утилизации энергии закрученной струи за гребным винтом. Кроме того, необходимо отметить, что при фиксированном соотношении числа оборотов гребного винта n₁ и контрпропеллера n₂ (обычно n₁=n₂=n и D₁=D₂, где D₁ - диаметр гребного винта, D₂ - диаметр контрпропеллера), условие максимальной гидродинамической эффективности достигается при определенной гидродинамической нагрузке, при которой момент на гребном винте M₁ равен моменту на контрпропеллере M₂. При нагрузках, для которых M₁M₂, гидродинамическая эффективность падает (см. статью Togunjac A.R. "The influence of hydrodinamic factors on geometric characteristics and efficiency of contrarotating propellers", журнал "Borodogradnja" 37(1989) 1-4, P.31-32, in Croation). Равенство моментов M₁ и M₂ при любых гидродинамических нагрузках устройства, что гарантирует практическое устранение остаточной закрутки потока за контрпропеллером и, следовательно, максимальную гидродинамическую эффективность устройства, реализуется электродвигателями, управляемыми системой автоматического регулирования через преобразователи частоты. Движительно-двигательная установка может быть выполнена с размещением гребного винта и контпропеллера в направляющей насадке, что увеличит гидродинамическую эффективность устройства на тяговых режимах. Кроме того, для увеличения возможностей при маневрировании судна электрический привод контрпропеллера выполнен реверсивным.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображена движительно-двигательная установка судна, вид сбоку, сечение по продольной плоскости.

Примером конкретного выполнения заявляемого изобретения является судовая движительно-двигательная установка типа "поворотная колонка", содержащая гребной винт 1 и соосно размещенный за ним контрпропеллер 2. Гребной винт закреплен на полом валу 3, являющимся общим с валом приводного электродвигателя 4. Контрпропеллер закреплен на своем валу 5, размещенным на опорных подшипниках (на чертеже не обозначены) внутри осевой полости гребного вала 3 и вала электродвигателя 4. Второй конец вала контрпропеллера соединен с своим автономным электродвигателем 6. Упор от гребного винта и контрпропеллера передается через упорные подшипники 7 и 8 соответственно. Для герметизации кожуха 9 предусмотрены уплотнения 10. Контрпропеллер снабжен обтекателем 11. Гребной винт и контрпропеллер размещены в направляющей насадке 12. Кожух 9 выполнен с возможностью поворота относительно вертикальной оси 13. Приводной 4 и автономный 6 электродвигатели снабжены автономными статическими преобразователями частоты (на чертеже не показаны).

Движительно-двигательная установка типа "поворотная колонка" работает следующим образом. Электродвигатели 4 и 6 посредством валов 3 приводят во вращение соответственно гребной винт 1 и контрпропеллер 2. Благодаря тому, что приводы гребного винта 1 и контрпропеллера 2 выполнены на базе двигателей переменного тока и предусмотренных, соответственно, автономных статических преобразователей частоты, управление которыми принципиально может быть реализовано по закону постоянства мощности, момента или частоты вращения, в рассматриваемом случае на валах гребного винта 1 и контрпропеллера 2 будет выполняться равенство моментов (M₁=M₂) во всем диапазоне гидродинамических нагрузок, что свидетельствует об устранении остаточной закрутки потока за контрпропеллером 2 и, следовательно, максимальной гидродинамической эффективности установки.

Таким образом, заявленная движительно-двигательная установка типа "поворотная колонка" позволяет обеспечить повышение КПД во всем диапазоне гидродинамических нагрузок благодаря использованию контрпропеллера и обеспечению равенства моментов на валах гребного винта и контрпропеллера.