устройство для активного управления судном

Формула изобретения

1. Устройство для активного управления судном, совмещающее функции движения, управления и маневрирования, содержащее две движительно-рулевые колонки и систему управления, причем каждая из колонок имеет привод, винты и насадок, отличающееся тем, что колонки размещаются на корпусе судна на расстоянии друг от друга, каждая колонка имеет соосные винты противоположного вращения и передачу, а насадок выполнен с крыльями, наклоненными относительно вертикальной оси устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что насадок выполнен поворотным в горизонтальной плоскости и снабжен зубчатым колесом, взаимодействующим с рейкой штока гидроцилиндра, при этом колонка снабжена рамой и датчиками системы управления, фиксирующими положение насадка на раме колонки.

3. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что оно выполнено съемным.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к судостроению, а именно к устройствам для активного управления судном. Известны различные средства активного управления судами (САУ) и широко применяются на судах в качестве таковых активные рули, подруливающие устройства, выдвижные движительно-рулевые поворотные колонки (ВДРК), подруливающие крыльчатые движители (см. книгу Кулагина В. Д. Теория и устройство морских промысловых судов. Л., Судостроение, 1974, с. 332-336). Их широкое внедрение обусловлено экономической целесообразностью, т.к. при этом операции швартовки и маневрирования могут выполняться без применения портовых буксиров. САУ создают возможность управления судном в стесненных условиях акватории порта, сокращают время и повышают безопасность маневрирования.

Недостатком известных устройств является невозможность размещения их на неприспособленном для этого судне, так как требуется при установке САУ доработка корпуса. Установка дополнительных устройств на подводной части корпуса ведет к увеличению его сопротивления, а следовательно, к дополнительному расходу топлива и снижению скорости.

Выдвижные движительно-рулевые колонки снабжаются гребным винтом или комплексом винт-насадка, создающим упор, направление которого может изменяться в горизонтальной плоскости в пределах 360 градусов (аналог - см. книгу, указанную выше). Возможна установка двух кормовых ВДРК или в любой части корпуса.

Известны также различные варианты движителей, использующих энергию направленного потока воды, так называемые волновые движители. Например, движители автора Ю. Ф. Сенькина по патентам 2031054, 2035356, 20347740, B 63 H 19/02. Однако для обеспечения работы этих движителей в условиях штиля или слабого волнения требуется работа главного двигателя в режиме малого хода, что связано с повышенным расходом топлива.

Известны также крыльчатые движители (Кирстен - Боинга и Фойт - Шнейдера), создающие упор в любом направлении в горизонтальной плоскости и позволяющие при использовании их исключить необходимость иметь на судне руль и реверсивный главный двигатель. Движители обеспечивают высокую маневренность судна и применяются на портовых судах и буксирах (см. Т.С. Джилмер. Проектирование современного корабля. Л. , Судостроение, 1974, с. 172-173). Эти движители совмещают в себе функции движения, управления и маневрирования, но малоэффективны для скоростных судов (Канаев А.А. Энергетика судов будущего. Л., Судостроение, 1967, с. 86-87).

Известное устройство по а.с. СССР N 1104056 движительно-рулевого комплекса, содержащее две движительно-рулевые колонки, расположенные в оконечностях корпуса плавсредства в его диаметральной плоскости, может иметь только очень ограниченное применение в качестве средства, обеспечивающего маневрирования судна в условиях открытой акватории, т.к. наклонное выдвижение штанг колонок в рабочее положение (для обеспечения заданного заглубления гребных винтов колонок) значительно увеличивает общую длину судна за счет погруженных и ненаблюдаемых частей штанг колонок, что осложняет маневрирование в узкостях и создает дополнительные предпосылки к навигационным повреждениям судна. На применение устройства по а.с. СССР N 1104056 для позиционирования судна (удержания его над точкой бурения) и переводе его в "нерабочее" положение для перехода имеются соответствующие ссылки в описании по указанному а. с.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в создании высоко эффективного движительно-управляющего комплекса для движения, управления и маневрирования судов, установка которого не требует доработки подводной части корпуса. Достигаемый при этом технический результат выражается в создании достаточного для перемещения судна усилия на крыле устройства, находящемся в незакрученном потоке жидкости, созданном нагнетательной частью устройства с приводом малой мощности.

Заявляемое устройство содержит две движительно-рулевые колонки, включающие винты и насадок. При этом колонки размещены на корпусе судна на расстоянии друг от друга, разнесенными по длине или ширине судна. Каждая колонка снабжена соосными винтами противоположного вращения, оптимизированными для создания незакрученного потока. Насадок выполнен с крыльями, наклоненными относительно вертикальной оси устройства и расположенными на определенном расстоянии друг от друга.

При этом насадок выполнен поворотным в горизонтальной плоскости в пределах 360 градусов и снабжен зубчатым колесом, взаимодействующим с рейкой на штоке гидроцилиндра колонки. Колонка снабжена рамой и датчиками системы управления, обеспечивающей движение судна в любом направлении при согласованном повороте насадков обеих колонок на заданные углы и фиксации их в этих положениях.

Устройство выполнено съемным.

Устройство совмещает в себе функции движения, управления и маневрирования, обеспечивает высокоэффективное и экономичное движение, управление и маневрирование на всех скоростях (от самого полного хода до малого, в условиях открытого моря или стесненных условиях акватории порта), а также может быть использовано как высокоэкономичный главный двигатель.

Заявляемое устройство может быть использовано в качестве главного движителя подводного аппарата, обеспечивающего маневрирование в любом направлении в пространстве (в горизонтальной и вертикальных плоскостях), а при размещении в диаметральной плоскости аппарата и оснащении привода движительных колонок реверсивными двигателями также и режимы погружения, всплытия и дифферентовки на "месте", без использования системы водяного балласта.

Эффективность заявляемого устройства определяется более рациональным использованием энергии для создания движуще-управляющей силы. В заявляемом устройстве этой силой является поперечная (подъемная) сила крыла, размещенного в незакругленном потоке жидкости, созданном соосными винтами противоположного вращения, оптимизированными для создания незакрученного потока, а крылья установлены под углом к направлению потока и на определенном расстоянии между собой. Величина поперечной силы крыла многократно превышает силу его лобового сопротивления, а также и соизмеримую с ней исходную силу - упор винтов.

При равных величинах развиваемых усилий (упорах) мощность, потребляемая заявляемым устройством, составляет 2 - 10% номинальной мощности главного двигателя для соответствующего винтового движителя (в зависимости от скорости хода судна), т. е. заявляемое устройство способно обеспечить движение судна во всем диапазоне его скоростей от привода малой мощности с соответствующим уменьшением расхода топлива.

Технический эффект от использования заявляемого устройства обеспечивается разнесенностью двух движительно-рулевых колонок, создающих движуще-управляющие силы.

Возможны следующие варианты размещения колонок:

1 - одностороннее размещение колонок - размещение колонок, разнесенными по длине судна по одному какому-либо борту, соответствующее режиму "сверхманевренности";

2 - симметричное побортное размещение колонок (разнесенными по ширине корпуса) - размещение колонок по одной на каждом борту, в средней или кормовой части судна, соответствующее режиму "сверхдальности", в том числе и смежное симметричное побортное размещение колонок в кормовой оконечности судна;

3 - несимметричное побортное (диагональное) размещение колонок - размещение колонок по одной на каждом борту судна, одна - в кормовой части, другая - в средней части судна, соответствующее "промежуточному" режиму.

Для двухкорпусных судов возможен вариант размещения колонок в диаметральной плоскости судна, разнесенными по его длине.

Заявляемое устройство поясняется с помощью чертежей:

фиг. 1 - общий вид предлагаемого устройства в варианте 1 размещения движительно-рулевых колонок, обеспечивающим режим "сверхманевренности",

фиг. 2 - общий вид движительно-рулевой колонки, вид спереди,

фиг. 3 - то же, вид сбоку,

фиг. 4 - схема сил, создаваемых устройством в варианте 1 размещения колонок, обеспечивающим режим "сверхманевренности" при различных положениях поворотных насадков колонок.

Предлагаемое устройство состоит из двух одинаковых движительно-рулевых колонок 1 и соответствующей системы управления (на фиг. не показана). На раме 2 колонки 1 (см. фиг. 2) установлены привод 3, передача 4, концентрично расположенные валы 5 и 6. Полый вал 5 крепится в разъемных подшипниках 7 на раме 2 и снабжен зубчатым колесом 8, находящимся в зацеплении с зубчатым колесом 9 передачи 4. Внутренний вал 6 крепится на подшипниках 10 внутри полого вала 5 и муфтой 11 соединяется со вторым выходным валом передачи 4. Свободные концы валов 5 и 6 снабжены винтами 12 и 13 противоположного направления вращения. В зоне винтов 12 и 13 рама 2 снабжена обечайкой 14. Поворотный насадок 15 крепится в подшипниковой опоре 16 рамы 2 и снабжен зубчатым колесом 17, взаимодействующим с рейкой 18 гидроцилиндра 19. Насадок выполнен с крыльями 20, наклоненными относительно оси винтов и расположенными на определенном расстоянии друг от друга. Величина угла наклона крыльев уточняется экспериментально. На раме 2 установлены датчики системы управления (на фиг. не показаны), фиксирующие положение поворотного насадка 15 относительно рамы 2.

Узлы крепления движительно-рулевых колонок 1 в рабочем положении - два специальных бруса 21, размещаются на обоих бортах судна, попарно, в его средней и кормовой частях. В походном положении колонки 1 размещаются и крепятся на палубе судна.

Устройство работает следующим образом (описывается вариант 1 размещения движительно-рулевых колонок 1, обеспечивающий режим "сверхманевренности", см. фиг. 1). Грузовыми стрелами судна колонки 1 переводятся за борт, которым судно не будет швартоваться, и крепятся, одна - в средней части, другая в кормовой части судна на два бруса 21.

При включении привода 3 соосные винты 12 и 13 создают незакрученный поток воды в зоне крыльев поворотного насадка 15, на которых создается усилие поперечного направления (по отношению к потоку внутри колонки 1). В зависимости от расположения крыльев насадка 15 относительно диаметральной плоскости судна меняется направление движуще-управляющей (поперечной) силы.

Поворот насадка 15 в заданное положение производится гидроцилиндром 19, на штоке которого закреплена рейка 18, находящаяся в зацеплении с зубчатым колесом 17 насадка 15. Положение насадка 15 фиксируется датчиками системы управления, обеспечивающей согласованный поворот насадков обеих колонок на заданные углы и фиксацию их в этом положении.

Схема сил, создаваемых устройством, приведенная на фиг. 4, соответствует следующим маневрам судна:

NN 1, 2 - движение лагом

NN 3, 4 - движение вперед-назад

NN 5, 6 - разворот на месте

NN 7, 14 - циркуляция на переднем и заднем ходу

N 15 - движение бортом в произвольном направлении (обозначение на схеме - ДК1 и ДК2 - движительно-рулевые колонки соответственно).

Все варианты размещения колонок устройства обеспечивают возможность движения судна вперед и назад и быстрого реверса, движения лагом и бортом в произвольном направлении, разворот на месте и циркуляцию, т.е. маневренные варианты компоновки устройства, при полноповоротных насадках колонок, отличаются только количественно, в зависимости от расстояния между насадками и их расположением относительно центра масс судна.

Регулирование величины движуще-управляющей силы производится за счет изменения скорости потока (частоты вращения винтов устройства) - грубое регулирование, изменение угла установки крыла - точное регулирование, а направление ее действия в горизонтальной плоскости - за счет поворота насадка.

Некоторое снижение маневренности по 2-му варианту компоновки компенсируется возможностью увеличения скорости до 20-30 узлов, устойчивости на курсе и дальности. Варианты 1 и 3, кроме "сверхманевренности", обеспечивают также увеличение средней скорости судна на волнении из-за малой вероятности попадания обоих движительно-рулевых колонок одновременно во впадины волн.

Дополнительное, почти 50-процентное, увеличение суммарной движущей силы колонок обеспечивается при смежном симметричном побортном размещении колонок в кормовой оконечности судна и беззазорном размещении щек смежных насадков (или перекрытии щек соответствующим обтекателем). Смежные крылья смежных насадков образуют единые крылья удвоенного удлинения (по сравнению с составляющими их крыльями насадков), при сохранении неизменной суммарной площади крыльев, а изменение режима обтекания единого крыла, по сравнению с исходными (при их раздельном размещении), обеспечивает указанный прирост движущей силы.

Гибкость применения заявляемого устройства обеспечивается наличием на обоих бортах судна узлов крепления движительно-рулевых колонок и исполнение движительно-рулевых колонок съемными, т.е. создается возможность применения оптимальной компоновки устройства для выполнения конкретного задания.

Высокая эффективность заявляемого устройства позволяет использовать его в качестве высокоэкономичного главного движителя судна, дополнительными достоинствами которого являются: повышение живучести судна за счет исключения вырезов в корпусе, при наружной установке колонок и большой их разнесенности, защищенности винтов колонок от навигационных повреждений, а также усложнения обнаружения и идентификации судна, как цели, за счет изменения ориентации максимумов физических полей меньшей интенсивности, создаваемых устройством.

Разновидностью использования заявляемого устройства, в качестве главного движителя для крупнотоннажных судов, может быть комплектование его разнесенными по длине судна парами движительно-рулевых колонок для среднетоннажных судов (во 2-м варианте компоновки); причем, при выполнении части их в самоподъемном варианте, обеспечивается оптимальное сочетание мощности и поворотливости судна, в зависимости от его загрузки и состояния моря.

Выполнение устройства съемным обеспечивает его сохранность в нерабочем положении и универсальность использования на судах различных проектов.

Заявляемое устройство повышает эффективность движения, управления и маневрирования судна в условиях открытого моря и стесненных условиях акватории порта. Устройство экономично, легко заменяется, не требует для размещения доработки подводной части корпуса судна.