тормозное дисковое устройство для стоповых испытаний подводных аппаратов

Формула изобретения

Тормозное дисковое устройство для стоповых испытаний подводных аппаратов, включающее тормозной диск, смонтированный взамен лопастной системы движителя на полом гребном валу, внутренняя полость которого соединяет через невозвратный клапан выхлопной тракт двигателя с забортной средой, отличающееся тем, что на выходной шейке гребного вала соосно ему и жестко установлена полая втулка-сопло с регулируемым критическим сечением, причем осевая длина от торца диска до среза сопла равна или превышает четверть радиуса тормозного диска.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области экспериментальной гидрогазодинамики, а более конкретно в теоретическом плане к вопросу динамики образования и движения двухфазных (газо-водных) сред, и может быть использовано при отработке элементов энергопропульсивных комплексов подводных аппаратов (ПА) с валовым выхлопом отработавших в энергосиловой установке (ЭСУ) газов.

Валовый газовыхлоп широко применяется в судостроительной практике как средство утилизации продуктов сгорания. На ходовом режиме, проходя через невозвратный клапан, газ выхлопа диссипирует в завинтовой струе и не влияет на работу движителя. Известны, однако, примеры из практики, когда в режиме трогания судна продукты газовыхлопа подсасываются в диск винта, что нежелательно.

Известен поглотитель мощности (ПМ), используемый при проведении стоповых испытаний ПА, который принят за прототип - см. Леонард Грейнер "Гидродинамика и энергетика подводных аппаратов", Судостроение, Л., 1978, 7.6, стр. 356-361 и Рис.7.42. ПМ (в терминологии заявителя ТДУ - тормозное дисковое устройство) включает два тормозных диска противовращения, монтированные на гребных валах двухвальной ЭСУ взамен штатного движителя (парных соосных гребных винтов (ГВ). При испытаниях ПА газовыхлоп, как и в аналогах, осуществляется за борт через полый гребной вал. Для исключения влияния продуктов газовыхлопа на гидродинамический момент трения вращающихся дисков (за счет смешения этих газов с водой вокруг дисков) газы выводят через специальное газоотводящее устройство, которое содержит сальник с подшипником, монтированные на раме, приваренной к заднему обжимному хомуту системы подвески корпуса ПА. Гибкая (гофрированная) труба направляет выхлопные газы в воду над дисками. Пузыри газа всплывают, не попадая в область подсасывания тормозных дисков, что обеспечивает достоверность оценки мощности ЭСУ по частоте вращения вала с использованием косвенного метода ее измерения по "Калибровочной кривой по мощности".

Такой инженерный подход авторов основан на совершенно четких понятиях и оправдан, а техническое решение обеспечивает проведение стоповых испытаний как двухвальных, так и одновальных ЭСУ, где ТДУ по своей гидродинамической компоновке может содержать другой состав тормозных дисков. Недостатком же прототипа является принципиальная схема газоотвода и ее техническая реализация. Схемно-конструктивное решение (по прототипу) по отводу газа в верхнюю подобласть над дисками не является единственным, а наличие трения вращающихся элементов (манжетное уплотнение) обуславливает дополнительную инструментальную погрешность измерения момента, что в конечном итоге понижает достоверность результатов измерения мощности и гидродинамического эксперимента в целом. Несмотря на известные методические и инструментальные способы уменьшения этой составляющей погрешности, ее наличие в суммарной погрешности измерения зачастую является превалирующим. Действительно, если момент трения в уплотнении не учитывается, то и мощность, определяемая калибровочной кривой, содержит пропорциональную зону неопределенности, и, как и в любом косвенном методе измерения, достоверность определения мощности по частоте вращения вала понижается.

Целью заявленного технического решения является упрощение конструкции прототипа и повышение достоверности (точности) определения мощности (валового момента) ЭСУ при проведении стоповых испытаний ПА, что приводит и к повышению достоверности конечных результатов гидродинамических исследований. Дополнительной задачей является возможность исследовать в гидродинамическом эксперименте влияние противодавления на работу ЭСУ.

Поставленная цель достигается путем ликвидации момента трения, обусловленного наличием уплотнения в газоотводящем тракте устройства-прототипа. Конструктивно это решается следующим образом. В известном ТДУ для проведения стоповых испытаний ПА с валовым газовыхлопом, которое содержит тормозной диск (диски), монтированный на полом гребном валу взамен вращающейся лопастной системы движителя, где внутренняя полость вала соединяет газовыхлопной тракт двигателя с забортной средой, дополнительно, по шейке гребного вала соосно и жестко по отношению к валу установлена полая втулка-сопло с регулируемым критическим сечением, а осевая длина от торца диска до среза сопла равна или больше четверти радиуса тормозного диска.

Очевидно, что такая схема газоотвода изменяет (по сравнению с прототипом) область отвода выхлопных газов на полубесконечную правую (см. чертеж) от торца тормозного диска подобласть, причем конструктивно решена задача изоляции погранслоя торца диска, обращенного в сторону газовыхлопа, от газо-водяной фазы, образованной за срезом вращающегося сопла. При этом неопределенность момента трения в сальнике прототипа заменяется аналитически определимым моментом гидродинамического трения втулки. Это и служит прямым доказательством достижения поставленной цели. "Изоляция" торцового погранслоя от газовой фазы конструктивно обеспечивается введением ограничения (по нижней границе) на осевое расстояние S₀ от торца диска до среза сопла. Указанное расстояние должно быть равно или больше 3-х...5-ти толщин погранслоя на вращающемся тормозном диске, что приблизительно эквивалентно 10...25% радиуса тормозного диска.

На чертеже представлен схематично один из возможных вариантов конструктивного исполнения заявленного технического решения.

Подводный аппарат-катамаран 1 загружается в решетку 2, которая грузовым тросом 3 подъемно-опускной системы судна обеспечения стоповых испытаний установлена на заданной глубине. На гребном валу 4 монтирован на ступице (взамен лопастной системы штатного движителя) тормозной диск 5 и полая втулка-сопло 6, по внутренней проточке которой на резьбе закреплена сменная дюза заданного проходного сечения (расчетное критическое сечение сопла обеспечивается установкой соответствующей дюзы до начала испытаний). Невозвратный клапан 7 предохраняет ЭСУ от попадания забортной воды. Заданное осевое расстояние S₀, равное или больше R/4 (четверти радиуса тормозного диска), контролируется при сборке ТДУ.

После запуска ЭСУ выхлопные газы, проходя по внутренней полости вращающегося гребного вала 4 через невозвратный клапан 7 и сопло 6, истекают в правую полуплоскость забортного пространства. Не вдаваясь в описание достаточно сложной картины истечения, отметим, что указанные существенные признаки обеспечивают оттеснение газосодержащей фракции от торца тормозного диска 5. Газообразные продукты выхлопа всплывают на поверхность, а тормозной диск 5 вращается в "чистой" воде, обеспечивая гидродинамическое трение, эквивалентное условиям калибровки.

Возможность осуществления заявленного технического решения базируется на фундаментальных соотношениях теории турбулентного пограничного слоя (см. Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя жидкости, М., Наука, 1987), причем само техническое решение апробировано в натурных условиях для одной величины S₀>R/4. Квазиоптимальную величину S₀ планируется уточнять методом гидродинамического моделирования в рамках плановых работ.