Результат интеллектуальной деятельности: ВОДОМЕТНОЕ УСТРОЙСТВО

Разработанное решение относится к устройствам для движения судна по воде, в частности к устройствам типа «водомет», у которых гребной винт заключен внутри полости, например внутри трубы. Решение применимо в качестве основного движителя на маломерных судах или в качестве подруливающих устройств на крупных судах.

Из уровня развития техники известно [Папир А.Н. Водометные движители малых судов. - Л.: Судостроение, 1970, - 250 с. (рис.7в на стр.17)] решение, в котором вращательное движение от двигателя внутреннего сгорания передается на гребной винт (лопасти осевого насоса), установленный на гребном валу внутри всасывающего канала судна. Недостатком этого решения являются ограниченные технологические возможности устройства, связанные с наличием гребного вала (герметизация воды и т.д.).

Наиболее близким к заявляемому объекту является решение [рис.18 на странице 27 работы Куликов С.В., Храмкин М.Ф. «Водометные двигатели». Л.: Судостроение, 1970, 251 с.], в котором движитель-двигатель содержит полый корпус (обечайку), внутри которого закреплен статор электродвигателя, состоящий из набора пластинчатых колец и обмоток. В статоре с зазором расположен вращающийся полый ротор электродвигателя. На внутренней поверхности ротора закреплены лопасти. С ротором соединены патрубки, заканчивающиеся чашеобразными опорами, соединенными с упомянутым выше полым корпусом. Опоры содержат внутри патрубков ребра (направляющие лопатки движителя), несущие центральный вал, на котором неподвижно установлен контрпропеллер. Центральный вал выполнен сборным, не имеющим вращения. Он проходит через камеру всасывания и камеру нагнетания. Со стороны камеры всасывания имеется заборное отверстие, камера нагнетания оканчивается соплом. Камеры условно разделяются контрпропеллером. По сути решение является водометным движителем с осевым насосом, являющимся одновременно ротором электродвигателя. Работает устройство следующим образом. При подводе электрического тока к обмоткам статора ротор получает вращение с постоянной частотой. Лопасти камеры всасывания через патрубок всасывания захватывают воду и тем самым создают некоторую осевую силу тяги, которая через чашеобразные опоры передается на корпус (он может быть прикреплен к судну и т.д.). Усиление силы тяги происходит в нагнетательной части движителя за счет того, что вода, вытесняемая лопастями из камеры всасывания, проходит через контрпропеллер (он выпрямляет направление потока воды), подхватывается следующими лопастями ротора и вытесняется через сопло наружу, образуя дополнительную осевую силу тяги. Сила тяги пропорциональна напору воды, создаваемому во всасывающей и нагнетательной камерах. Напор пропорционален числу оборотов лопастей.

Недостатком решения являются его ограниченные технологические возможности, связанные с отсутствием возможности регулирования числа оборотов гребного винта. Дополнительным недостатком устройства является вид используемого энергоносителя, а именно необходимость выработки на судне электрического тока промышленной частоты.

Техническим результатом разработанного решения является расширение технологических возможностей водомета (движителя-двигателя, т.е. движителя с осевым насосом) за счет обеспечения возможности регулирования величины тяги путем регулирования числа оборотов лопастей. Дополнительным техническим результатом разработанного решения является использование энергоносителя, являющегося обычно неиспользуемым продуктом на силовых двигательных установках судна, например пара.

Технический результат достигается тем, что в разработанном решении используется двигательно-движительный комплекс без промежуточного гребного вала, где в качестве двигателя используется паровая турбина, содержащая паропровод, подводящий пар в полость между ротором и статором, и полый ротор которой, несущий на внутренней поверхности гребные лопасти, установлен на вращающемся центральном валу, смонтированном в опорах, взаимодействующих с контрпропеллерами движителя, а на наружной поверхности ротора установлены рабочие лопатки турбины, взаимодействующие с потоком пара, подаваемого в полость турбины, образованную наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью статора, несущей спрямляющие лопатки турбины. Дополнительно на роторе установлены лопасти центробежного насоса и оградительная шайба, а в статоре выполнены нагнетательные отверстия центробежного насоса.

Таким образом, разработанное решение, как и прототип, содержит:

а) водометный движитель с осевым насосом, в состав движителя входит:

- вращающийся полый ротор, установленный соосно с зазорной полостью в статоре и несущий на внутренней поверхности гребные лопасти;

- контрпропеллеры, установленные на центральном валу;

- патрубок камеры всасывания и сопло камеры нагнетания, установленные на центральном валу;

б) двигатель, статор которого обеспечивает вращение ротора водометного движителя.

Однако заявляемое решение отличается тем, что

- в зазорную полость введен пароподводящий патрубок,

- на наружной поверхности ротора в зазорной полости смонтированы рабочие лопатки паровой турбины,

- на внутренней поверхности статора в зазорной полости в порядке чередования с рабочими лопатками установлены спрямляющие лопатки паровой турбины,

- центральный вал выполнен составным, его центральная часть установлена с возможностью вращения на опорах в неподвижных ступицах, которые смонтированы в контрпропеллерах, несущих на себе патрубок камеры всасывания, сопло камеры нагнетания и статор,

- на роторе установлены лопасти центробежного насоса и оградительная шайба, а в статоре выполнены выходные отверстия.

На чертеже показана принципиальная схема водометного устройства с продольным осевым сечением.

Водометное устройство (далее водомет) устроено следующим образом. Статор 1, являющийся корпусом водомета, и ротор 2 выполнены полыми в виде цилиндров и установлены соосно с образованием зазорной полости 3. В зазорную полость введен пароподводящий (пар берется от судовой установки как утилизируемый продукт) патрубок 4. На наружной поверхности ротора по ее окружности в пределах зазорной полости 3 смонтированы рабочие лопатки 5 паровой турбины. Вслед за ними в пределах зазорной полости 3 на внутренней поверхности статора по его окружности смонтированы спрямляющие лопатки 6 (лопатки, профиль которых спрямляет поток пара, выходящий из под профиля рабочих лопаток 5). Число чередований рабочих и спрямляющих лопаток по длине окружностей ротора и статора не имеет принципиального значения, это лишь влияет на выходные параметры двигателя (паровой турбины) водомета. Также принципиального значения не имеет число чередований рабочих и спрямляющих лопаток по длине двигателя (на чертеже показан пример двигателя с тремя рядами рабочих лопаток, позиции 5, 5/1 и 5/2, и двумя рядами спрямляющих лопаток, позиции 6 и 6/1). Между рабочими лопатками и внутренней поверхностью статора имеется радиальный зазор. Радиальный зазор также имеется между спрямляющими лопатками и наружной поверхностью ротора. Статор установлен на контрпропеллере 7 и через патрубок 8 (патрубок камеры всасывания осевого насоса) на контрпропеллере 9. Контрпропеллеры 7 и 9 несут на себе ступицы 10 и 11. В ступицах установлены опоры 12, обеспечивающие возможность вращения центрального вала 13. Между центральным валом 13 и внутренней поверхностью ротора смонтированы лопасти 14 гребного винта (или лопасти нескольких гребных винтов, например, на чертеже показаны лопасти 14 одного винта и лопасти 14/1 второго винта). На контрпропеллере 7 установлено также сопло 15. Снаружи водомет может быть помещен в корпус 16, взаимодействующий с контрпропеллером 7 и патрубком 8. Корпус 16 (или патрубок 8) может закрепляться на судне, его колонке и т.д. Дополнительно водометное устройство снабжено центробежным насосом для откачки из рабочего пространства 17 водомета пара (смеси пара с водой), который может туда прорываться через неплотности (могут возникать по мере износа деталей водомета). Для этого лопасти 18 центробежного насоса (кольцо с лопастями 18) установлены на роторе 2 в его начальной части. Для образования полости, в которой будут работать лопасти 18, в зазорном пространстве смонтирована (установлена на статоре или на роторе) оградительная шайба 19. Для выброса лопастями 18 центробежного насоса смеси пара с водой за пределы водомета в статоре выполнены выходные отверстия 20, соединяющие полость насоса с окружающим пространством (например, через полость 21, образованную наружной поверхностью статора и внутренней поверхностью корпуса).

Принцип работы устройство основан на следующем. Ротор 2 с гребным винтом (гребными винтами) образует осевой насос с камерой всасывания на входе (область патрубка 8) и камерой нагнетания (область сопла 15) на выходе. Пароподводящий патрубок 4, статор 1 с ротором 2 и установленными на них лопатками 5 и 6 образуют паровую турбину, преобразующую энергию пара во вращение ротора. Ротор в свою очередь преобразует вращение закрепленных на нем лопастей в поступательное движение воды в осевом насосе, в результате чего создается тяговое усилие Р водомета. Если корпус 16 (или иной элемент, например патрубок 8) закреплен на корпусе судна, на его колонке или траверсе, то тяговое усилие приводит в движение судно (обеспечивает подруливание и т.д.).

Работает устройство следующим образом. Пар через патрубок 4 подается на рабочие лопатки 5, взаимодействует с их профилем, что обуславливает возникновение на роторе 2 крутящего момента некоторой величины М_{кр 5}. Далее пар проходит через спрямляющие лопатки 6, это выравнивает направление потока пара, пар попадает на следующие рабочие лопатки 5/1, взаимодействует с их профилем, что обуславливает возникновение на роторе 2 крутящего момента некоторой величины М_{кр 5/1}. Далее пар опять попадает на спрямляющие лопатки 6/1, затем на рабочие лопатки 5/2, что обуславливает возникновение на роторе 2 крутящего момента некоторой величины М_{кр 5/2}. Под воздействием суммы крутящих моментов М_{кр 5}+М_{кр 5/1}+М_{кр 5/2} ротор 2 получает вращение вокруг своей оси с некоторой угловой скоростью (с некоторым числом оборотов в минуту). Вместе с ротором, соответственно, вращаются закрепленные на нем и на центральном валу 13 лопасти 14 и 14/1 гребных винтов. При этом вода через патрубок 8 проходит через контрпропеллер 9 и вытесняется через контрпропеллер 7 в сопло 15 и далее за пределы водомета. Возникающая при этом сила тяги Р направлена вдоль оси водомета воспринимается центральным валом 13 и через ступицу 11 (и ступицу 10), контрпропеллер 9 (и контрпропеллер 7), патрубок 8 передается на корпус 16 водомета. Взаимодействие корпуса 16 водомета с судном обеспечивает движение судна в направлении действия вектора тяги Р. Скорость движения судна будет пропорциональна величине тяги Р, будет определяться величиной угловой скорости вращения ротора с лопастями гребных винтов (числом оборотов ротора в минуту) и зависеть от величины давления пара, подаваемого через патрубок 4 на рабочие лопатки 5, 5/1 и 5/2 паровой турбины. При необходимости снизить скорость движения судна необходимо снизить величину тяги Р. Это достигается снижением давления пара (часть пара сбрасывается через регулировочный клапан, остальной пар под сниженным давлением попадает на лопасти турбины и формирует меньший по величине крутящий момент). При необходимости повысить скорость движения судна соответственно необходимо повысить давление пара. В любом из рассматриваемых случаев (особенно в случаях с высоким давлением пара) часть пара (избыточных частиц пара) через зазоры и мимо оградительной шайбы 19 будет прорываться в рабочее пространство 17 водомета. В рабочем пространстве 17 пар будет смешиваться с водой, создавать в ней завихрения и турбулентность, что может снижать эффективность потока воды при ее взаимодействии с лопастями 14 винтов. Вращающиеся заодно с ротором 2 лопасти 18 центробежного насоса будут захватывать этот пар (смесь пара с водой) и выбрасывать его через выходные отверстия 20 за пределы водомета, например в полость 21. Таким образом, заявленный технический результат достигается тем, что:

- регулирование величины тягового усилия Р обеспечивается управлением величиной давления пара, подаваемого в патрубок 4 из внутрисудовой энергетической установки;

- в качестве энергоносителя используется пар, который обычно во внутрисудовых установках утилизируется,

- однородность потока воды в рабочем пространстве водомета поддерживается выбросом центробежным насосом избыточных частиц пара (смеси пара с водой) за пределы водомета.