судовая движительная установка типа "поворотная колонка"

Формула изобретения

1. Судовая движительная установка типа “ поворотная колонка ”, содержащая один или два гребных винта с передачей, размещенной в обтекаемом кожухе, отличающаяся тем, что лопасти по меньшей мере одного гребного винта закреплены в ступице подвижно с возможностью перемещения их относительно плоскости диска гребного винта путем поворота вокруг оси, проходящей через корневую часть лопасти, и их смещения вдоль этой оси.

2. Судовая движительная установка по п.1, отличающаяся тем, что ось, относительно которой поворачивается и/или смещается лопасть, перпендикулярна диску гребного винта.

3. Судовая движительная установка по п.1, отличающаяся тем, что ось, относительно которой поворачивается лопасть, параллельна плоскости диска гребного винта и расположена в плоскости диска гребного винта.

4. Судовая движительная установка по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что каждая лопасть гребных винтов установлена с возможностью поворота на угол ±10°.

5. Судовая движительная установка по п.1, отличающаяся тем, что в ступице в плоскости диска гребного винта выполнены пазы, в которых размещены корневые части лопастей гребного винта и узел поворота и/или смещения лопастей с демпфером.

6. Судовая движительная установка по п.5, отличающаяся тем, что узел поворота лопасти оснащен фиксатором положения лопасти.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судовым движительным установкам типа "поворотная колонка".

Известна движительная установка судна типа "поворотная колонка", содержащая гребной винт с механической передачей, включающей горизонтальную и вертикальную линии приводных валов, размещенных в обтекаемом корпусе и вертикальной стойке поворотной колонки (см. книгу А.Д.Гофмана "Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна". Судостроение. Ленинград. 1988 г., стр.17).

Известна также движительная установка судна типа "поворотная колонка", содержащая гребной винт с электрической передачей, включающей электродвигатель с горизонтальным приводным винтом, размещенными в обтекаемом кожухе (см. журнал "Navigator", Международный морской журнал №2/94, стр.8, фото - движитель типа "Azipod").

Недостатком указанных судовых движительных установок является повышенный уровень вибрации винта при повороте установки для осуществления маневрирования.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому, принятым за прототип изобретения, является движительная установка типа "поворотная колонка", содержащая два соосных гребных винта фиксированного шага противоположного вращения с механической передачей, размещенной в обтекаемом кожухе (см. журнал "Navigator", Международный морской журнал №2/94, стр.8-26, 27. Веса Вейккола "Винты со встречным вращением, разработанные фирмой "Аквамастер", увеличивают безопасносгь танкеров").

Недостатком указанного прототипа является повышенный уровень вибрации винтов при повороте колонки для осуществления маневрирования судна или обеспечения его реверсирования. При повороте колонки гребные винты оказываются в сильно скошенном потоке, что вызывает появление на гребных винтах периодических сил гидродинамической природы, являющихся причиной вибрации движителя типа "поворотная колонка" в целом. Наибольшие гидродинамические нагрузки, являющиеся причиной повышенной вибрации гребных винтов, возникают на режимах перехода к реверсу в режиме обратной струи (см. Справочник по теории корабля, т.1. Судостроение. Ленинград. 1985 г., стр.723). Повышенный уровень вибрации движительной установки приводит к необходимости ограничения угла поворота колонки или скорости ее перекладки, снижения скорости при маневрировании и уменьшения частоты вращения гребных винтов. Повышенный уровень вибрации снижает надежность движительной установки и ухудшает обитаемость судна. Ограничение параметров маневрирования приводит к увеличению вероятности столкновения судов, т.е. является причиной снижения безопасности мореплавания. Кроме того, винты фиксированного шага на непроектных режимах не дают возможность использовать полную мощность силовой установки и работают с уменьшенной гидродинамической эффективностью вследствие наличия за винтами остаточной закрутки потока (указанный недостаток справедлив при приводе от дизельной силовой установки и может быть устранен лишь применением винтов регулируемого шага).

Другая причина, ухудшающая эксплуатационные характеристики колонок, связана с тем, что при ее перекладке на полном ходу судна возникает поперечная сила, препятствующая повороту колонки и, следовательно, приводящая к необходимости увеличивать мощность рулевой машины. Возникновение значительной поперечной силы обусловлено скашиванием потока относительно колонки при ее повороте.

Предлагаемое техническое решение направлено на улучшение эксплуатационных характеристик судовой движительной установки типа "поворотная колонка", а именно: уменьшение возмущающих сил гидродинамической природы, возникающих на лопастях гребных винтов в процессе маневрирования судна и его реверсирования; уменьшение поперечной силы, возникающей на работающем винте при повороте колонки, и снижению, тем самым, мощности привода, обеспечивающего ее перекладку.

Уменьшение возмущающих сил гидродинамической природы приведет к снижению вибрации движительной установки, улучшит обитаемость судна, а также характеристики управляемости и маневренности (благодаря устранению ограничений на угол поворота колонки и скорость ее поворота). Кроме того, на непроектных режимах, даже с приводом от дизеля, движительная установка с подвижным креплением лопастей на ступице использует полную мощность двигателя и исключает необходимость применения винтов регулируемого шага.

Указанный технический результат достигается тем, что в судовой движительной установке типа "поворотная колонка", содержащей один или два гребных винта с передачей, размещенной в обтекаемом кожухе, лопасти по меньшей мере одного винта закреплены в ступице подвижно с возможностью перемещения их относительно плоскости диска гребного винта путем поворота вокруг оси, проходящей через корневую часть лопасти, и (или) их смещения вдоль этой оси; ось, относительно которой поворачивается и (или) смещается лопасть, перпендикулярна диску гребного винта; ось, относительно которой поворачивается лопасть, параллельна плоскости диска гребного винта и расположена в плоскости диска гребного винта; каждая лопасть гребных винтов установлена с возможностью поворота на угол ±10°; в ступице в плоскости диска гребного винта выполнены пазы, в которых размещены корневые части лопастей гребного винта и узел поворота и (или) смещения лопастей с демпфером; узел поворота и (или) смещения лопасти оснащен фиксатором положения лопасти.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на фиг.1 схематично изображен вид сбоку судовой движительной установки типа "поворотная колонка"; на фиг.2 и 3 - варианты крепления кормовых частей лопастей в ступице винта (увеличено).

Примером конкретного выполнения заявляемого технического решения является судовая движительная установка типа "поворотная колонка", содержащая обтекаемый водонепроницаемый кожух 1 с механической передачей, включающей полый вал 2, во внутренней полости которого размещен вал 3. На валу 3 закреплена ступица 4 заднего гребного винта, в которой выполнена пазы 5. В пазах 5 размещены корневые части 6 лопастей 7, которые установлены подвижно относительно ступицы 4, а кормовая часть лопасти 7 подвижно закреплена на ступице 4. Корневая часть 6 лопасти 7 может быть подвижно закреплена на валу 8, расположенном под углом к диску гребного винта (близком или равном шаговому углу корневого сечения лопасти), жестко закрепленном в пазу 5 и проходящим через отверстие 9, которое выполнено в корневой части 6, при этом в пазу 5 между корневой частью 6 и ступицей 4 размещен демпфер 10, а между донышком паза 5 и корневой частью 6 - фиксатор положения лопасти 11 (см. фиг.2), или корневая часть 6 лопасти 7 может быть жестко закреплена на валу 8, который подвижно закреплен, например, в подшипниках 12, при этом может быть установлен дополнительный демпфер 13 между валом 8 и ступицей 4. На валу 2 закреплена ступица 14 переднего гребного винта, на которой закреплены лопасти 15, которые могут быть установлены неподвижно относительно указанной ступицы 14 или подвижно. При подвижной установке лопастей 15 их корневые части 16 закреплены аналогично корневым частям 6 лопастей 7 заднего гребного винта. Лопасти 7 и 15 заднего гребного винта и переднего гребного винта соответственно установлены с возможностью поворота на угол ±10°.

Судовая движительная установка работает следующим образом. Судовой двигатель (на чертеже не показан) через механическую передачу (возможна электрическая подача), включающую полый вал 2 и вал 3 приводит во вращение гребные винты. На предельно малых оборотах лопасти 7 и 15 удерживаются от поворота вокруг вала 8 силой веса фиксатором положения лопасти 11 (например, фрикционного типа). На вращающуюся в составе заднего гребного винта лопасть 7 действует центробежный и гидродинамический моменты относительно вала 8, обусловленные центробежной и гидродинамической силами. Действие моментов противоположно, причем относительному перемещению лопасти 7 в направлении, противоположном ее вращению вместе с гребным винтом, соответствует увеличение момента от центробежной силы и уменьшение момента от гидродинамической силы, т.к. плечо центробежной силы при этом увеличивается, а шаг лопасти уменьшается. При отклонении лопасти 7 в противоположном направлении наблюдается обратная картина. Таким образом, положение лопасти 7 на ступице 4 определяется равенством действующих взаимно противоположных моментов. Причем в зависимости от режима работы движительной установки (относительной поступи гребных винтов) положение лопасти 7 на ступице 4 будет разным. Указанное приводит к изменению геометрических характеристик лопасти и, соответственно, гидродинамических, обеспечивая соответствие винтовой характеристики движителя и внешней характеристики двигателя, исключая необходимость использования для этих целей гребных винтов регулируемого шага (что особенно затруднительно для судовой движительной установки типа "поворотная колонка" с соосными гребными винтами противоположного вращения).

При повороте движительной установки для осуществления маневрирования судна гребные винты оказываются в сильно скошенном потоке, в результате чего на каждой лопасти возникают переменные гидродинамические нагрузки, лопасть начинает колебаться, образуя колебательную систему, где в качестве восстанавливающих сил выступают силы инерции, а в качестве возмущающих - переменные гидродинамические нагрузки. Частота собственных колебаний зависит от геометрии лопастей и их массовых характеристик. Анализ частот собственных колебаний показал, что они меньше частоты вращения гребного вала. В результате, по отношению к возмущающим гидродинамическим нагрузкам каждая лопасть колеблется в зарезонансном режиме так, что переменные гидродинамические силы в значительной степени компенсируются инерционными силами и на ступицу не передаются. Благодаря тому, что вал 8 расположен под углом к диску гребного винта переменные гидродинамические силы компенсируются не только в плоскости, диска гребного винта, но и в плоскости, перпендикулярной ему.

В режиме реверсирования судна переменные гидродинамические силы столь велики, что для их компенсации требуются дополнительные технические меры, а именно: использование демпфера 10, снижающего вибрационную составляющую вдоль вала 8. Использование подвижности крепления полезно не только с точки зрения снижения переменной нагрузки передаваемой на корпус колонки, но и для уменьшения поперечной силы, препятствующей повороту колонки вследствие косого натекающего на движитель потока. Как известно, эти поперечные усилия на обычных гребных винтах образуются как результат сложения действующих на лопастях переменных гидродинамических сил и моментов, обусловленных скосом потока. На колеблющихся в зарезонансном режиме лопастях переменные усилия в значительной степени будут скомпенсированы инерцией самой лопасти и присоединенной к ней массой жидкости так, что в результате поперечная гидродинамическая сила и момент становятся меньше (см. П.М.Кортунов, Л.И.Вишневский. Тезисы докладов. Крыловские чтения 1999 г. О механизме возникновения поперечной силы при работе винта с подвижным креплением лопастей в косом потоке).

Таким образом, заявленная судовая движительная установка типа "поворотная колонка" позволяет уменьшить переменные гидродинамические силы на гребных винтах, обеспечивает согласование винтовой характеристики и внешней характеристики двигателей (дизеля) в широком диапазоне нагрузок, снижение мощности привода рулевой машины, а также улучшение управляемости судна, его маневренных и реверсивных характеристик.