судовой движитель

Формула изобретения

1. Судовой движитель, содержащий установленные на ступице лопасти, заподлицо с обтекаемой поверхностью которых размещены демпфирующие элементы, каждый из которых выполнен из прикрепленной механически к лопасти вставки, составляющей часть по крайней мере одной из обтекаемых поверхностей лопасти, отличающийся тем, что демпфирующие элементы размещены вдоль выходящей кромки лопастей, между контактными поверхностями вставки и лопасти помещен слой вязкоупругого материала, при этом размер демпфирующего элемента вдоль хорды профиля сечения лопасти составляет не менее 0,1 длины хорды профиля, его толщина составляет 0,1 - 0,5 соответствующей местной толщины профиля сечения лопасти, а суммарная длина демпфирующих элементов вдоль выходящей кромки лопасти составляет не менее 1/3 длины последней.

2. Движитель по п.1, отличающийся тем, что демпфирующие элементы выполнены в виде закрепленной в продольной щели, выполненной в каждой лопасти, части профилированного тела лопасти с ее выходящей кромкой.

3. Движитель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что вставки выполнены в виде пакетов, составленных по крайней мере из двух элементов.

4. Движитель по п. 3, отличающийся тем, что пакеты включают в себя по крайней мере один промежуточный слой вязкоупругого материала

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области судостроения и касается вопросов создания основных или вспомогательных движителей, например гребных винтов, водометных движительных комплексов и т.д., судов и других морских объектов с уменьшенными уровнями вибраций и шума, обусловленных работой движителя.

Предъявление все более строгих требований к уровням вибраций и шума на судах с целью улучшения обитаемости, например, на комфортабельных круизных судах и повышения надежности функционирования различной аппаратуры, включая гидроакустическую, например, на рыбопоисковых и исследовательских судах, а также на кораблях и подводных лодках ВМФ, привело к разработке специальных малошумных гребных винтов.

Известны малошумные гребные винты со специальной профилировкой и формой лопастей, предназначенные для исключения кавитации и "пения" винтов на основных эксплуатационных скоростях хода (см., например, Ю.А.Левковский, А.А.Русецкий, С.П.Чекалов "Проблемы обесшумливания гребных винтов подводных лодок", сб. докладов "Проблемы гидродинамики", изд. ЦНИИ им. ак. А.Н.Крылова, 1994).

Для уменьшения вибраций и шумоизлучения изготавливают винты из металлических сплавов, а также из неметаллических материалов (например, стеклопластика). Однако эффективность снижения шума первых сравнительно невелика, а вторые, имеющие повышенную эффективность снижения шумности, практически не применяются из-за из малой механической прочности.

Известен также судовой гребной винт гидроустановки, лопасти которого снабжены эластичным элементом, выполненным в виде вкладыша, установленного и зафиксированного в выемке лопасти, с целью предохранения лопасти от кавитационного разрушения (см. авт. св. N 213620, 20.05.1968 г., B 63 H 1/26, 1/18).

Однако указанная конструкция лопасти гребного винта-прототипа предназначена лишь для предохранения лопасти от кавитационного разрушения и практически не оказывает демпфирующего эффекта, а также не позволяет уменьшить кромочный шум лопастей, возникающий из-за вибраций кромок лопастей при работе гребного винта.

Заявляемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в снижении вибраций и кромочного шума лопастей, обусловленных работой движителя, например гребного винта.

Для этого в известном судовом движителе, содержащем установленные на ступице+ лопасти, заподлицо с обтекаемой поверхностью которых размещены демпфирующие элементы, каждый из которых выполнен из прикрепленной механически к лопасти вставки, составляющей часть по крайней мере одной из обтекаемых поверхностей лопасти, демпфирующие элементы размещены вдоль выходящей кромки лопастей, между контактными поверхностями вставки и лопасти помещен слой вязкоупругого материала, при этом размер демпфирующего элемента вдоль хорды профиля сечения лопасти составляет не менее 0,1 от длины хорды профиля, его толщина составляет 0,1 - 0,5 соответствующей местной толщины профиля сечения лопасти, а суммарная длина демпфирующих элементов вдоль выходящей кромки лопасти составляет не менее 1/3 длины последней.

При этом демпфирующие элементы могут быть выполнены в виде части профилированного тела лопасти с ее выходящей кромкой, закрепленного в продольной щели, выполненной в каждой лопасти.

Указанные вставки могут быть выполнены в виде пакетов, составленных по крайней мере из двух элементов. Причем указанные пакеты могут включать по крайней мере один промежуточный слой вязкоупругого материала.

Предлагаемое устройство судового движителя (гребного винта) позволяет существенно снизить уровни вибраций и шума, обусловленных гидроупругими колебаниями лопастей винта, вращающегося в набегающем водном потоке.

Указанный технический результат достигается благодаря совместному введению в предложенное техническое решение признаков, перечисленных в отличительной части формулы изобретения.

Сущность изобретения по предложенному устройству судового движителя на примере гребного винта поясняется на фиг. 1, 2, 3, 4.

На фиг. 1 показан общий вид лопасти движителя со ступицей и сечение его лопасти. Судовой движитель, например гребной винт, содержит ступицу 1 с установленными на ней лопастями - условно показана только одна лопасть 2. На лопастях вдоль выходящей кромки заподлицо с обтекаемой поверхностью лопасти размещены демпфирующие элементы, каждый из которых выполнен из прикрепленной механически к лопасти вставки 3, составляющей часть по крайней мере одной из обтекаемых поверхностей лопасти 2 и помещенного между контактными поверхностями вставки 3 и лопасти 2 слоя вязкоупругого материала 4. Механическое крепление вставки к лопасти может быть осуществлено, например, посредством заклепок 5. На сечении А-А фиг. 1 показан профиль лопасти, а на виде В - представлено увеличенное изображение части профиля сечения лопасти 2 с вставкой 3, слоем вязкоупругого материала 4 и механическим креплением в виде заклепок 5.

На фиг. 2 показано увеличенное изображение части профиля сечения лопасти 2 с демпфирующим элементом, состоящим из вставки 3 и слоя вязкоупругого материала 4, закрепленным в продольной щели, выполненной в теле лопасти, и замещающим (составляющим) часть профилированного тела лопасти, расположенную за щелью, вместе с выходящей кромкой лопасти. Механическое крепление демпфирующего элемента выполнено, например, посредством заклепок 5.

На фиг. 3 представлено увеличенное изображение части профиля лопасти судового движителя, в котором вставки, размещенные на лопасти 2, выполнены в виде пакетов, составленных по крайней мере из двух пластинчатых элементов 6 и 7.

На фиг. 4 показано изображение части профиля лопасти с вставками, выполненными в виде пакетов, составленных из элементов 6 и 7 и включающих промежуточный слой вязкоупругого материала 8.

Показанные на фиг. 1, 2, 3, 4 основные варианты предлагаемого устройства на примере гребного винта лишь приближенно изображают его конструкцию и не охватывают все возможные варианты его выполнения.

Демпфирующие элементы могут быть размещены как на обоих поверхностях лопасти - всасывающей и нагнетающей, так и на одной из них, в зависимости от конструкции судового движителя и условий его работы.

Материал для изготовления пластинчатых вставок, как правило, должен совпадать с материалом лопасти для исключения возникновения электрохимической коррозии. В некоторых случаях материал может отличаться, если это целесообразно по условиям работы движителя.

Механическое крепление демпфирующих элементов выполняется исходя из обеспечения прочности устройства и достижения эффекта демпфирования и может осуществляться также посредством резьбовых или сварных соединений.

Выбор размеров элементов движителя (гребного винта) с демпфированной кромкой должен производиться в каждом конкретном случае исходя из перечисленных в формуле изобретения конструктивных соотношений с учетом общих требований, обычно предъявляемых к гребным винтам и другим типам судовых движителей.

Работа движителя (гребного винта) предлагаемой конструкции, как и любого лопастного механизма, сопровождается воздействием на каждую лопасть динамических усилий, возбуждающих ее интенсивные колебания. Исследования, проведенные авторами, подтвердили, что, как и следовало ожидать, наибольшие амплитуды вибраций наблюдаются вдоль выходящей кромки и на конце лопасти, т.е. на участках, имеющих минимальную толщину, а значит и механическое сопротивление по отношению к поперечным усилиям. Поэтому размещение вдоль выходящей кромки лопасти демпфирующих элементов, преобразующих изгибные колебания участков лопасти в сдвиговые колебания сравнительно тонких (пленочных) прокладок из вибродемпфирующего материала, например из полиизобутилена, приводит к эффективному преобразованию энергии колебаний в тепловую энергию.

Размещение демпфирующих элементов в зоне максимальных вибраций позволяет наиболее эффективно уменьшить вибрации не только вышеуказанных участков, но и всей лопасти гребного винта. В итоге значительно уменьшается составляющая звукоизлучения, обычно называемая кромочным шумом, усиленная гидроупругими колебаниями выходящей кромки лопасти. Поскольку наибольший вклад в излучение дают длинноволновые моды ее колебаний как консольной балки сложной формы, что подтверждено экспериментальными исследованиями авторов, уменьшается и общее звукоизлучение гребного винта.

Выбор соотношений между размерами лопасти и демпфирующих элементов, обеспечивающих реализацию эффекта уменьшения вибраций и звукоизлучения движителя (гребного винта), произведен исходя из известных физических закономерностей демпфирования колеблющихся тел.

Размеры каждого из демпфирующих элементов, размещенных вдоль выходящей кромки лопасти, их количество и порядок размещения вдоль кромки выбираются в каждом конкретном случае исходя из геометрии лопасти движителя (винта).

Необходимо отметить, что взаимосвязанность изгибных и крутильных колебаний лопастей в различных направлениях (например, радиальной и окружной ориентации) позволяет обеспечить их эффективное демпфирование при использовании предложенных элементов, демпфирующих в первую очередь изгибные колебания. Эффективность демпфирования можно увеличить на тех или иных частотах колебаний за счет выбора не только размеров элементов, как в плане, так и по толщине, но и варианта предлагаемого устройства движителя (гребного винта), например, выполняя демпфирующие элементы в виде пластин, вставленных в продольные щели в теле лопасти, или применяя демпфирующие элементы, составленные из двух или более элементов, имеющих или не имеющих дополнительные прокладки из вибродемпфирующего материала.

Как показали результаты экспериментальных исследований, проведенных авторами на моделях лопастей гребных винтов, имеющих демпфирующие элементы вдоль выходящей кромки, увеличение коэффициента внутренних потерь колебательной энергии составило 5 - 7 раз, что привело к уменьшению вибраций лопасти и обусловленного этим звукоизлучения на 14 - 17 дБ. Оценки показали, что уровни вибраций и шума на судах, обусловленных кромочным шумом и гидроупругими колебаниями лопастей движителя (гребного винта, рабочего колеса водомета и т. д.), могут быть снижены при применении предлагаемого устройства на 8 - 10 дБ и более.

Предложенное устройство может быть использовано для снижения вибраций и шума, возникающих при работе других типов лопастных механизмов как с вращающимися, так и с неподвижными лопастями, обтекаемыми потоком, например рабочих колес и статоров осевых насосов, турбин и т.д.