СУДНО С ЧАСТИЧНО ПОГРУЖЕННЫМ ШНЕКОВЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ Российский патент 1998 года по МПК B63B35/00 B63H5/00 B63H1/02 

Изобретение относится к области судостроения и касается создания судов с движителями, обеспечивающими их эксплуатацию как на чистой воде, так и в засоренных акваториях (плавающий битый лед, водоросли, заболоченности и пр.).

Известен ряд попыток использования на судах в качестве движителей частично погруженных шнеков (винтов Архимеда), представляющих собой по меньшей мере одну спиральную лопасть, навитую на ступицу, тело вращения большего удлинения. В книге Луначарского И.А. и Яновского А.А. От весла до водомета. Л.: Судостроение, 1964 упоминаются гребные винты спирального типа (М. Берри, 1840), фактически - шнековые, которые устанавливаются в рецессе на носовой оконечности судна сдвоенными симметрично относительно его диаметральной плоскости (ДП) с заглублением - до осей вращения, направленных практически по ходу судна. Так же упомянуто гребное колесо винтового типа (30-е годы XX в. ), также шнековое, которое формируется из нескольких секций с сохранением непрерывности спиральных лопастей и размещается за кормой судна перпендикулярно к ДП от борта до борта.

Известен движитель (патент Великобритании N 1349512, кл. B 63 H 1/12, 1974), в котором гипертрофированные веретенообразные ступицы двух симметричных (противоположно вращающихся) и параллельных относительно ДП шнеков играют роль своеобразных скегов катамарана, способного оперировать насильно заболоченной акваторией (вплоть до амфибийности).

Для представленных устройств характерны чрезмерно большие в сравнении с современным техническим уровнем энергетические потери при движении на чистой воде из-за далеко не оптимальной геометрии шнеков и их расположения относительно набегающего потока и корпуса судна.

Известно также судно с устройством для разрушения льда (заявка N 61-47756, кл. B 63 B 35/08, Япония, публикация 86.10.21, N 2 - 1194, заявитель Эксон продакшн Рисерч Компани, приоритет США 77.12.19, 86.17.37), принятое в качестве прототипа. Носовая оконечность этого судна в районе ватерлинии оборудована побортно двумя симметричными относительно ДП шнеками, стреловидно расположенными в горизонтальной плоскости, со спиральными лопастями, высота которых возрастает по длине шнеков, начиная с нулевой на заходных сечениях. Помимо движения во льдах такое судно может перемещаться с помощью шнеков и по чистой воде, но значительно уступая при этом в экономичности (построечной и эксплуатационной) судам, специально предназначенным для чистых акваторий. Причины - те же, что и у приведенных выше аналогов. В частности, хотя данное устройство имеет стреловидное расположение шнеков в плане, однако, каждый шнек из-за непосредственного влияния носовой оконечности судна оказывается работающим в потоке, практически параллельном оси его вращения. В результате, при прочих равных условиях потери на трение, пропорциональные осевой протяженности движителя, будут у шнеков в несколько раз больше, чем, например, у гребных винтов обычной конфигурации, с различными лопастями.

Кроме того, неизбежны большие потери при взаимодействии с корпусом судна реактивной струи движителя вследствие его носового расположения.

Предлагаемое изобретение направлено на радикальное улучшение пропульсивных характеристик (характеристик ходкости на чистой воде) судов с частично погруженными шнековыми движителями и обеспечение на этой основе эффективности их использования на маршрутах (трассах) с переменными условиями засоренности.

Для этого у судна с движителем, выполненным в виде двух симметричных относительно ДП частично погруженных шнеков с непараллельными осями вращения, каждый из которых включает по меньшей мере одну спиральную лопасть, навитую на ступице, связанной с приводом, например, через редуктор, каждый шнек расположен непосредственно за местом пересечения кормового среза и днища судна, сформированным в районе ватерлинии ниже ее уровня в виде углового уступа с острой кромкой, при этом конфигурация образующей каждого шнека, его расположение относительно корпуса судна, а также конфигурация пересечения кормового среза с днищем судна выполнены такими, что проекции нижней образующей ступицы шнека и линии пересечения кормового среза с днищем судна на плоскость миделевого сечения совмещены, а ось вращения шнека составляет с ДП угол, равный шаговому углу навивки лопасти на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o, причем высоты лопастей шнеков в каждом поперечном сечении ограничены величиной, равной 0,75 диаметра ступицы, наружные кромки лопастей заострены, а перед заходными срезами шнеков установлен обтекатель. При этом перед шнеками на корпусе судна установлены выдвижные устройства, например, поворотные транцевые плиты и регулируемые интерцепторы с приводами, причем направленные навстречу друг другу оконечности шнеков сближены до непосредственного соединения с фланцами выходных валов единого раздаточного редуктора, помещенного в обтекатель, симметричный относительно ДП и установленный на корпусе судна.

Размещение каждого шнека непосредственно за местом пересечения кормового среза и днища судна, сформированным в районе ватерлинии ниже ее уровня в виде углового уступа с острой кромкой, обеспечивает, начиная с очень малых скоростей хода судна, работу шнека в набегающим из-под днища судна потоке с фиксированной линией срыва и стабильной свободной поверхностью, незначительно меняющей свою конфигурацию при различных эксплуатационных режимах (скорости хода, посадка судна, волнение, качка и пр.). Это необходимо для сохранения, без дополнительных регулировок, заглублений шнека, близких к оптимальным, практически во всем диапазоне эксплуатационных условий.

Совмещение в плоскости миделя проекции нижней образующей ступицы шнека и линии (кромки) пересечения кормы и днища судна задает оптимальное заглубление шнека в набегающий поток.

Размещение оси вращения шнека под углом к ДП, равным шаговому углу навивки лопасти на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o, соответствует расположению погруженных участков лопасти с учетом их конфигурации в среднем поперек набегающего потока, то есть минимизации в нем поперечных вызванных скоростей.

Ограничение высоты лопасти величиной, равной 0,75 диаметра ступицы, связано с предельным уровнем допустимых гидродинамических потерь из-за радиальной неравномерности шаговых углов до 30% идеального КПД.

Заострение наружных кромок лопастей существенно улучшает в гидродинамическом отношении форму горизонтальных сечений погруженных участков лопастей.

Установка обтекателей на заходных сечениях шнеков позволяет до двух раз увеличить площадь рабочего (погруженного) сечения шнека в сравнении с прототипом, так как при ненулевых гидродинамически оптимальных высотах лопастей обеспечивает защиту этих сечений от засорения.

Применение стационарных и регулируемых транцевых плит, интерцепторов и пр. дает возможность повысить технологичность непосредственно корпусных конструкций и, одновременно, точность оптимизации условий работы шнека при различных режимах эксплуатации.

Компоновка направленных навстречу друг другу оконечностей шнеков и раздаточного редуктора в едином, симметричном относительно ДП обтекателе на корпусе судна исключительно контактна и особенно удобна в случае привода от одного двигателя.

На фиг. 1 представлен вид на днище кормовой оконечности судна с частично погруженным шнековым движителем; на фиг. 2 - сечение, перпендикулярное оси вращения одного из шнеков.

Здесь за местом пересечения кормового среза 1 днища судна 2, сформированного в районе ватерлинии WL ниже ее уровня 3 в виде углового уступа с острой кромкой 4 установлены транцевые плиты 5, 6 с регулировочными приводами 7 и шнеки, состоящие из ступиц 8 и спиральных лопастей 9.

Нижние образующие 10 ступиц 8 совмещены (фиг. 2) в проекции на мидель с кромкой 4, а ось вращения каждого шнека 11 составляет с ДП судна угол ϕ , равный шаговому углу навивки лопасти 9 на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o. Перед заходными срезами шнеков установлены обтекатели 12, которые включаются в единый, симметричный относительно ДП обтекатель на корпусе судна 2, в случае, когда передние участки шнеков сближены до непосредственного соединения с фланцами выходных валов единого раздаточного редуктора, также помещенного в обтекателе 12.

При движении судна участки лопастей шнеков под ступицами погружены в поток, выходящий из-под углового уступа, образованного пересечением кормового среза судна и его днища. Вследствие вращения погруженные участки шнеков совершают поступательное движение вдоль осей, чем обеспечивается захват и ускорение жидкости и создание тяги движителя. Ориентировка погруженных участков в среднем перпендикулярно потоку обусловливает при ее движении минимальные гидродинамические потери вследствие отсутствия поперечных вызванных скоростей. В связи с этим КПД движителя оказывается максимально возможным при заданной нагрузке.

Погруженные части лопастей шнеков имеют плавные обводы и совершают поступательное движение вдоль оси, поэтому находящиеся в воде предметы (битый лед, водоросли и пр.) свободно проходят через гидравлическое сечение работающего движителя, не оказывая влияния на его работоспособность.

Судно с частично погруженным шнековым движителем предназначено для эксплуатации как на чистой воде, так и в засоренных акваториях. Оно содержит два симметричных относительно диаметральной плоскости шнека за местом пересечения кормового среза и днища судна, сформированным в районе ватерлинии ниже ее уровня в виде углового уступа с острой кромкой. Проекции нижней образующей ступицы шнека и линии пересечения кормового среза с днищем судна на плоскость миделевого сечения совмещены. Ось вращения шнека составляет с диаметральной плоскостью угол, равный шаговому углу навивки лопасти на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o. Высоты лопастей в каждом из поперечных сечений шнеков ограничены величиной, равной 0,75 диаметра ступицы. Наружные кромки лопастей заострены. Перед заходными срезами шнеков установлен обтекатель, симметричный относительно диаметральной плоскости. Перед шнеками на корпусе судна установлены выдвижные устройства, например транцевые плиты с интерцепторами. Оконечности шнеков сближены до непосредственного соединения с фланцами выходных валов единого раздаточного редуктора, помещенного в обтекатель. Достигается улучшение пропульсивных характеристик судов с частично погруженными шнековыми движителями. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Судно с движителем, выполненным в виде двух симметричных относительно диаметральной плоскости судна частично погруженных шнеков с непараллельными осями вращения, каждый из которых включает по меньшей мере одну спиральную лопасть, навитую на ступице, связанной с приводом, например, через редуктор, отличающееся тем, что каждый шнек установлен непосредственно за местом пересечения кормового среза и днища судна, сформированным в районе ватерлинии ниже ее уровня в виде углового уступа с острой кромкой, при этом конфигурация образующей ступицы каждого шнека и его расположение относительно корпуса судна, а также конфигурация пересечения кормового среза с днищем судна выполнены такими, что проекции нижней образующей ступицы шнека и линии пересечения кормового среза с днищем судна на плоскость миделевого сечения совмещены, а ось вращения шнека составляет с диаметральной плоскостью угол, равный шаговому углу навивки лопасти на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o, причем высоты лопастей в каждом из поперечных сечений шнеков ограничены величиной, равной 0,75 диаметра ступицы, наружные кромки лопастей заострены, а перед заходными срезами шнеков установлен обтекатель, симметричный относительно диаметральной плоскости. 2. Судно по п.1, отличающееся тем, что перед шнеками на корпусе судна установлены выдвижные устройства, например поворотные транцевые плиты с интерцепторами, оборудованные регулировочными приводами. 3. Судно по п.1, отличающееся тем, что направленные навстречу друг другу оконечности шнеков сближены до непосредственного соединения с фланцами выходных валов единого редуктора, помещенных в обтекатель.