Результат интеллектуальной деятельности: Устройство повышения надежности ходовой части водного судна

Предлагаемое изобретение относится к области судостроения, в частности ходовой части водного судна, и может быть использовано для повышения эффективности его ходовых качеств (скорость судна, управляемость и др.).

Известна [1] конструкция ходовой части водного судна, заключающаяся в установке на корме водного судна гребного винта, приводимого в движение двигателем внутреннего сгорания.

Недостатком [1] является то, что для кратного увеличения тягового усилия судна необходимо по ширине его кормы устанавливать дополнительный гребной винт, что приведет к увеличению ширины судна.

Известны [2] инженерные конструкции, когда лопастные колеса нагнетателей жидкостей или газов размещаются на одной оси в целях увеличения тягового усилия, образуемого лопастями силового механизма (возникновение усилий на гребных винтах происходит аналогично лопастным колесам осевых вентиляторов и компрессоров).

Недостатком [2] является то, что, несмотря на некоторое увеличение тягового усилия, расположение гребных винтов на одном валу не позволяет регулировать частоту вращения одного или нескольких винтов независимо от остальных.

Наиболее близким по существу заявляемого изобретения, прототипом, является подруливающее устройство [3], содержащее два винта, установленные в гондоле на стойке обтекателей в сквозном канале, и приводной двигатель, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительными стойками, расположенными на обтекателях по краям гондолы. Предусматривается возможность использования двух приводных двигателей, каждый из которых кинематически связан с одним из винтов.

Недостатком прототипа [3] является повышенная металлоемкость конструкции и гидравлические потери на трение, связанные с использованием гондолы и стоек обтекателей. Кроме того, для обеспечения подруливающей функции предложенное устройство необходимо устанавливать со смещением относительно продольной оси судна либо перпендикулярно ей, что не позволяет дополнительно использовать тяговое усилие двухвинтовой схемы для прямолинейного движения судна. Причем остановленные после совершения поворота судна винты подруливающего устройства создают дополнительное сопротивление прямолинейному движению судна.

Целью изобретения является повышение надежности ходовой части водного судна, увеличение общего усилия на валу гребного винта без увеличения рабочих мест движителя по ширине судна.

Цель достигается тем, что устройство ходовой части водного судна, содержащее основной вал с гребным винтом, снабжено по крайней мере одним дополнительным валом с гребным винтом на нем, соосно основному валу, причем с переменной и отличающейся от основного вала скоростью вращения, при этом на пути потока, нагнетаемого вторым дополнительным гребным винтом, предусмотрена по крайней мере одна дополнительная плоскость поворотного, горизонтального и вертикального управления водным судном, которая имеет поверхность профильной кривизны, по форме близкую к внешней изобаре нагнетаемого потока.

Между поверхностями основного и дополнительного вала предусмотрены подшипники, по торцам основного вала - использование уплотнительных колец, размещенных на дополнительном валу, и избыточного давления жидкости в пространстве между валами, определяемого в зависимости от глубины погружения водного судна, в свою очередь, консольный торец дополнительного вала в зоне нагнетания потока за гребным винтом имеет шарнирную опору в свободном торце дополнительно предусмотренного вертикального выпуска с кормы водного судна, на вертикальном выпуске размещена упомянутая выше дополнительная плоскость поворотного, горизонтального и вертикального управления водным судном.

Сущность заявляемого изобретения поясняется: Фиг. 1 - схема ходовой части водного судна; Фиг. 2 - схема установки гребных винтов ходовой части; Фиг. 3 - расчетная характеристика двухвинтовой ходовой части, где 1 - водное судно; 2 - основной вал; 3 - дополнительный вал; 4 - гребной винт основного вала 2; 5 - гребной винт дополнительного вала; 6 - вертикальный опорный выпуск кормы водного судна 1, являющейся шарнирной опорой консольного торца дополнительного вала 3; 7 - регулирующие дополнительные поверхности поворотно-вертикального управления движением судна 1; 8 - подшипники; 9 - уплотнения. А - зона соединения валов 2 и 3 между винтами 4 и 5 (в разрезе); В - торцевая часть дополнительного вала 3 и вертикаль выпуска с кормы судна 1 (в разрезе), n₁ - скорость вращения основного вала 2; n₂ - скорость вращения дополнительного вала 3; F_(2B) - суммарное осевое усилие в двухвинтовой схеме; F_(1B) - осевое усилие в одновинтовой схеме; D₁ и D₂ - активные диаметры лопастей 1-го и 2-го винтов соответственно.

На Фиг. 3 на вертикальной оси отложены полученные в ходе численного моделирования течения жидкости [4] значения относительного осевого (тягового) усилия F_(2B)/F_(1B), создаваемого двумя винтами, в зависимости от режима работы, характеризуемого отношением частот вращения валов n₂/n₁ (горизонтальная ось). Расчеты выполнены на базе реального гребного винта [1] с параметрами: D₁=D₂=90 мм, n₁=4800 об/мин, F_(1B)=78.1 Н (оба гребневых винта имели одинаковую геометрию).

Устройство работает следующим образом.

Движитель водного судна 1 приводит во вращение основной и дополнительный валы 2 и 3 гребных винтов 4 и 5 (Фиг. 1), что вызывает сложное движение окружающей устройство жидкости - переносное вращательное вместе с винтами и относительное преимущественно вдоль устройства (Фиг. 2). В результате на гребных винтах создается суммарное осевое тяговое усилие F_(2B), обеспечивающее движение судна.

Причем изменение частоты вращения n₂ винта 5 при постоянной частоте вращения n₁ винта 4 позволяет производить регулирование скорости движения судна. Например, как следует из расчетов (Фиг. 3), при превышении частоты вращения n₁ основного винта 4 над частотой вращения n₂ дополнительного винта 5 (n₂/n₁=0÷1) суммарное осевое усилие F_(2B) ниже, чем осевое усилие F_(1B) в одновинтовой схеме (F_(2B)/F_(1B)=0,45÷0,9). При выполнении условия n₂/n₁>1,0 (частота вращения n₁ основного винта 4 меньше частоты вращения n₂ дополнительного винта 5) обеспечивается возрастание суммарного осевого усилия F_(2B) по сравнению с усилием F_(1B), причем это увеличение происходит быстрее, чем рост частоты вращения n₂. Это положительный результат поставленной цели, т.е. судно увеличивает скорость движения или может нести большую нагрузку.

Для обеспечения экстренного замедления или реверса судна необходимо обеспечить обратное направление вращения дополнительного вала 3 гребного винта 5, то есть отрицательное значение n₂/n₁<0 (для реверса нужно выполнить дополнительное условие n₂/n₁<-0,95). По такому техническому решению можно разместить движители вдоль каскадно, а передачу мощности осуществлять посредством зубчатой передачи, причем регулирование скорости вращения может осуществляться изменением передаточного отношения зубчатой передачи или при помощи частотного регулирования питающего напряжения электродвигателя (если он используется в качестве движителя).

Создаваемый гребными винтами поток жидкости используется для осуществления рулевой функции (регулирование направления движения судна как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях за счет применения регулирующих дополнительных поверхностей 7, шарнирно закрепленных на вертикальном опорном выпуске 6 кормы судна 1. С этой целью регулирующие поверхности 7 имеют кривизну, аналогичную внешней изобаре нагнетаемого потока воды, то есть образуют при двух поверхностях подобие цилиндра.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить надежность ходовой части водного судна путем плавного бесступенчатого регулирования скорости его движения (в частности, увеличение скорости по сравнению с одновинтовой схемой), обеспечения режимов экстренного торможения и реверса судна, а также регулирования направления его движения как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях при сравнительно небольших требованиях к ширине кормы водного судна.

Дополнительный технический результат при использовании устройства преимущественно в подводных судах заключается в том, что при сдвиге по фазе на 180° вращения гребных винтов относительно друг друга можно уменьшить общий акустический фон работающих гребных винтов и добиться относительной бесшумности судна; кроме того, при комбинации движителей - дизельного двигателя и синхронного электродвигателя - в случае отсутствии электроэнергии на судне можно сохранить определенную скорость движения судна и выработку определенной электрической энергии для оперативных нужд на судне.

Приведенные примеры применения предлагаемого изобретения показывают полезность его использования в ходовых установках надводных и подводных судов гражданского и военного назначения.

Предлагаемое изобретение удовлетворяет критериям новизны, так как при определении уровня техники не обнаружено устройство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения, включая характеристику назначения.

Использованные источники

1. Басин A.M., Миниович И.Я. Теория и расчет гребных винтов. - Л.: Судпромгиз, 1963. - 760 с.

2. Теплоэнергетика и теплотехника. Том 3. Тепловые и атомные электростанции. Справочник. Раздел пятый, насосы и газодувные машины. Под ред. А.В. Клименко и В.М. Зорина. Изд. МЭИ. М. 2003.

3. Подруливающее устройство: пат. 2519610 Рос. Федерация: МПК В63Н 25/00, В63Н 25/46, В64С 27/00 / Кушнир А.П., Авельчев А.Е.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Моск. гос. ун-т приборостр. и информ. -№2012151554/11; заявл. 03.12.12; опубл. 20.06.14, Бюл. №17. - 5 с.

4. Программное обеспечение STAR-CCM+ компании CD-adapco.