судно с частично погруженным шнековым движителем

Формула изобретения

1. Судно с движителем, выполненным в виде двух симметричных относительно диаметральной плоскости судна частично погруженных шнеков с непараллельными осями вращения, каждый из которых включает по меньшей мере одну спиральную лопасть, навитую на ступице, связанной с приводом, например, через редуктор, отличающееся тем, что каждый шнек установлен непосредственно за местом пересечения кормового среза и днища судна, сформированным в районе ватерлинии ниже ее уровня в виде углового уступа с острой кромкой, при этом конфигурация образующей ступицы каждого шнека и его расположение относительно корпуса судна, а также конфигурация пересечения кормового среза с днищем судна выполнены такими, что проекции нижней образующей ступицы шнека и линии пересечения кормового среза с днищем судна на плоскость миделевого сечения совмещены, а ось вращения шнека составляет с диаметральной плоскостью угол, равный шаговому углу навивки лопасти на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o, причем высоты лопастей в каждом из поперечных сечений шнеков ограничены величиной, равной 0,75 диаметра ступицы, наружные кромки лопастей заострены, а перед заходными срезами шнеков установлен обтекатель, симметричный относительно диаметральной плоскости.

2. Судно по п.1, отличающееся тем, что перед шнеками на корпусе судна установлены выдвижные устройства, например поворотные транцевые плиты с интерцепторами, оборудованные регулировочными приводами.

3. Судно по п.1, отличающееся тем, что направленные навстречу друг другу оконечности шнеков сближены до непосредственного соединения с фланцами выходных валов единого редуктора, помещенных в обтекатель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области судостроения и касается создания судов с движителями, обеспечивающими их эксплуатацию как на чистой воде, так и в засоренных акваториях (плавающий битый лед, водоросли, заболоченности и пр.).

Известен ряд попыток использования на судах в качестве движителей частично погруженных шнеков (винтов Архимеда), представляющих собой по меньшей мере одну спиральную лопасть, навитую на ступицу, тело вращения большего удлинения. В книге Луначарского И.А. и Яновского А.А. От весла до водомета. Л.: Судостроение, 1964 упоминаются гребные винты спирального типа (М. Берри, 1840), фактически - шнековые, которые устанавливаются в рецессе на носовой оконечности судна сдвоенными симметрично относительно его диаметральной плоскости (ДП) с заглублением - до осей вращения, направленных практически по ходу судна. Так же упомянуто гребное колесо винтового типа (30-е годы XX в. ), также шнековое, которое формируется из нескольких секций с сохранением непрерывности спиральных лопастей и размещается за кормой судна перпендикулярно к ДП от борта до борта.

Известен движитель (патент Великобритании N 1349512, кл. B 63 H 1/12, 1974), в котором гипертрофированные веретенообразные ступицы двух симметричных (противоположно вращающихся) и параллельных относительно ДП шнеков играют роль своеобразных скегов катамарана, способного оперировать насильно заболоченной акваторией (вплоть до амфибийности).

Для представленных устройств характерны чрезмерно большие в сравнении с современным техническим уровнем энергетические потери при движении на чистой воде из-за далеко не оптимальной геометрии шнеков и их расположения относительно набегающего потока и корпуса судна.

Известно также судно с устройством для разрушения льда (заявка N 61-47756, кл. B 63 B 35/08, Япония, публикация 86.10.21, N 2 - 1194, заявитель Эксон продакшн Рисерч Компани, приоритет США 77.12.19, 86.17.37), принятое в качестве прототипа. Носовая оконечность этого судна в районе ватерлинии оборудована побортно двумя симметричными относительно ДП шнеками, стреловидно расположенными в горизонтальной плоскости, со спиральными лопастями, высота которых возрастает по длине шнеков, начиная с нулевой на заходных сечениях. Помимо движения во льдах такое судно может перемещаться с помощью шнеков и по чистой воде, но значительно уступая при этом в экономичности (построечной и эксплуатационной) судам, специально предназначенным для чистых акваторий. Причины - те же, что и у приведенных выше аналогов. В частности, хотя данное устройство имеет стреловидное расположение шнеков в плане, однако, каждый шнек из-за непосредственного влияния носовой оконечности судна оказывается работающим в потоке, практически параллельном оси его вращения. В результате, при прочих равных условиях потери на трение, пропорциональные осевой протяженности движителя, будут у шнеков в несколько раз больше, чем, например, у гребных винтов обычной конфигурации, с различными лопастями.

Кроме того, неизбежны большие потери при взаимодействии с корпусом судна реактивной струи движителя вследствие его носового расположения.

Предлагаемое изобретение направлено на радикальное улучшение пропульсивных характеристик (характеристик ходкости на чистой воде) судов с частично погруженными шнековыми движителями и обеспечение на этой основе эффективности их использования на маршрутах (трассах) с переменными условиями засоренности.

Для этого у судна с движителем, выполненным в виде двух симметричных относительно ДП частично погруженных шнеков с непараллельными осями вращения, каждый из которых включает по меньшей мере одну спиральную лопасть, навитую на ступице, связанной с приводом, например, через редуктор, каждый шнек расположен непосредственно за местом пересечения кормового среза и днища судна, сформированным в районе ватерлинии ниже ее уровня в виде углового уступа с острой кромкой, при этом конфигурация образующей каждого шнека, его расположение относительно корпуса судна, а также конфигурация пересечения кормового среза с днищем судна выполнены такими, что проекции нижней образующей ступицы шнека и линии пересечения кормового среза с днищем судна на плоскость миделевого сечения совмещены, а ось вращения шнека составляет с ДП угол, равный шаговому углу навивки лопасти на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o, причем высоты лопастей шнеков в каждом поперечном сечении ограничены величиной, равной 0,75 диаметра ступицы, наружные кромки лопастей заострены, а перед заходными срезами шнеков установлен обтекатель. При этом перед шнеками на корпусе судна установлены выдвижные устройства, например, поворотные транцевые плиты и регулируемые интерцепторы с приводами, причем направленные навстречу друг другу оконечности шнеков сближены до непосредственного соединения с фланцами выходных валов единого раздаточного редуктора, помещенного в обтекатель, симметричный относительно ДП и установленный на корпусе судна.

Размещение каждого шнека непосредственно за местом пересечения кормового среза и днища судна, сформированным в районе ватерлинии ниже ее уровня в виде углового уступа с острой кромкой, обеспечивает, начиная с очень малых скоростей хода судна, работу шнека в набегающим из-под днища судна потоке с фиксированной линией срыва и стабильной свободной поверхностью, незначительно меняющей свою конфигурацию при различных эксплуатационных режимах (скорости хода, посадка судна, волнение, качка и пр.). Это необходимо для сохранения, без дополнительных регулировок, заглублений шнека, близких к оптимальным, практически во всем диапазоне эксплуатационных условий.

Совмещение в плоскости миделя проекции нижней образующей ступицы шнека и линии (кромки) пересечения кормы и днища судна задает оптимальное заглубление шнека в набегающий поток.

Размещение оси вращения шнека под углом к ДП, равным шаговому углу навивки лопасти на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o, соответствует расположению погруженных участков лопасти с учетом их конфигурации в среднем поперек набегающего потока, то есть минимизации в нем поперечных вызванных скоростей.

Ограничение высоты лопасти величиной, равной 0,75 диаметра ступицы, связано с предельным уровнем допустимых гидродинамических потерь из-за радиальной неравномерности шаговых углов до 30% идеального КПД.

Заострение наружных кромок лопастей существенно улучшает в гидродинамическом отношении форму горизонтальных сечений погруженных участков лопастей.

Установка обтекателей на заходных сечениях шнеков позволяет до двух раз увеличить площадь рабочего (погруженного) сечения шнека в сравнении с прототипом, так как при ненулевых гидродинамически оптимальных высотах лопастей обеспечивает защиту этих сечений от засорения.

Применение стационарных и регулируемых транцевых плит, интерцепторов и пр. дает возможность повысить технологичность непосредственно корпусных конструкций и, одновременно, точность оптимизации условий работы шнека при различных режимах эксплуатации.

Компоновка направленных навстречу друг другу оконечностей шнеков и раздаточного редуктора в едином, симметричном относительно ДП обтекателе на корпусе судна исключительно контактна и особенно удобна в случае привода от одного двигателя.

На фиг. 1 представлен вид на днище кормовой оконечности судна с частично погруженным шнековым движителем; на фиг. 2 - сечение, перпендикулярное оси вращения одного из шнеков.

Здесь за местом пересечения кормового среза 1 днища судна 2, сформированного в районе ватерлинии WL ниже ее уровня 3 в виде углового уступа с острой кромкой 4 установлены транцевые плиты 5, 6 с регулировочными приводами 7 и шнеки, состоящие из ступиц 8 и спиральных лопастей 9.

Нижние образующие 10 ступиц 8 совмещены (фиг. 2) в проекции на мидель с кромкой 4, а ось вращения каждого шнека 11 составляет с ДП судна угол , равный шаговому углу навивки лопасти 9 на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o. Перед заходными срезами шнеков установлены обтекатели 12, которые включаются в единый, симметричный относительно ДП обтекатель на корпусе судна 2, в случае, когда передние участки шнеков сближены до непосредственного соединения с фланцами выходных валов единого раздаточного редуктора, также помещенного в обтекателе 12.

При движении судна участки лопастей шнеков под ступицами погружены в поток, выходящий из-под углового уступа, образованного пересечением кормового среза судна и его днища. Вследствие вращения погруженные участки шнеков совершают поступательное движение вдоль осей, чем обеспечивается захват и ускорение жидкости и создание тяги движителя. Ориентировка погруженных участков в среднем перпендикулярно потоку обусловливает при ее движении минимальные гидродинамические потери вследствие отсутствия поперечных вызванных скоростей. В связи с этим КПД движителя оказывается максимально возможным при заданной нагрузке.

Погруженные части лопастей шнеков имеют плавные обводы и совершают поступательное движение вдоль оси, поэтому находящиеся в воде предметы (битый лед, водоросли и пр.) свободно проходят через гидравлическое сечение работающего движителя, не оказывая влияния на его работоспособность.