ЛОПАСТЬ СУДОВОГО ДВИЖИТЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК B63H1/26 B63H1/15 

Изобретение относится к судостроению, а также к гидромашиностроению и может быть использовано в судовых и корабельных движителях различного типа, в колесах Грима, в гидравлических насосах и гидротурбинах для повышения КПД и снижения кавитационной эрозии.

Работа лопасти заключается в следующем. При вращении движителя за каждый оборот, его каждая лопасть проходит зоны с различными скоростями набегающего потока: по бортам - скорости равны скорости движения судна, в диаметральной плоскости судна - меньше на величину скорости попутного потока. По этой причине величина упора движителя постоянно изменяется, так как изменяется тянущая сила лопасти. Это возбуждает вибрации в системе: движитель - валопровод - корпус судна, на лопастных частотах.

Вибрации снижают эксплуатационные свойства судна: обитаемость, КПД его движителя, срок службы валопровода и лопастей движителя.

Имеется рад изобретений, направленных на борьбу с вибрациями и кавитацией лопастей путем снижения вибраций на лопастных частотах. Однако имеются механизмы возбуждения колебаний на частотах, значительно превышающих лопастные.

При движении в жидкости, на лопасти судового движителя возникают силы, стремящиеся изогнуть и скрутить ее в сторону увеличения угла атаки, так как конструкции их таковы, что ось гидродинамических фокусов находится впереди (носовее) оси жесткости (упругой оси) и центра масс.

Такие системы могут находиться в равновесии только до критической скорости, при которой система выходит из равновесия и возникают связанные изгибно-крутильные автоколебания с возрастающей амплитудой.

Из-за неравномерности поля скоростей набегающего потока, при нагрузке на винт выше некоторой величины возникают связанные изгибно-крутильные автоколебания с установившейся амплитудой при скоростях ниже критической. Амплитуда устанавливается около определенного и достаточно высокого уровня, в результате чего возникает вибрационная кавитация.

Движители современных судов имеют большую нагрузку, поэтому их лопасти начинают вибрировать на высоких частотах с интенсивностью, приводящей к развитию вибрационной кавитационной эрозии. Это, как и в случае с вибрациями на лопастных частотах, приводит к снижению КПД движителей (≈до 10%) и долговечности движителя и валопровода.

Большинство предыдущих изобретений, защищающих винт от кавитации и вибрации имеют в виду лопастную составляющую вибрационного спектра, в то время как весь спектр вибрационных частот является суммой как низкочастотных - лопастных, так и высокочастотных колебаний.

Известна принятая в качестве ближайшего аналога лопасть колеса гидромашины, имеющая переднюю часть с входящей кромкой, заднюю часть с выходящей кромкой и профилированную форму поперечного сечения. Вдоль входной кромки лопасти установлены элементы, выполненные из двух частей: нижней в форме симметричного профиля и верхней - в форме цилиндра (СССР, авторское свидетельство N 1822907, F 03 B 3/12, 1990).

Предложенное изобретение предназначено для снижения уровня вибрации и кавитационной эрозии лопасти. Технический результат достигается тем, что в лопасти, содержащей переднюю часть с входящей кромкой и заднюю часть с выходящей кромкой, имеющей профилированную форму поперечного сечения, центр масс и упругая ось профилей сечений лопасти смещены к оси гидродинамических фокусов профилей сечений лопасти до исключения связанных изгибно-крутильных колебаний в диапазоне рабочих скоростей лопасти.

Для облегчения задней части лопасть выполняется с полостями, в результате чего центр масс и ось жесткости (упругая ось) смещаются к оси гидродинамических фокусов профилей сечений.

Для этой же цели в передней части лопасти могут устанавливаться грузы, как выступающие из лопасти, так и выполненные заподлицо с ней.

На фиг. 1 и 2 изображена лопасть - 1, закрепленная на ступице - 2 и вращающаяся вокруг оси вала - 3, у которой для облегчения выходящей кромки - 4 сделаны полости - 5, облегчающие заднюю часть и грузы - 6, утяжеляющие входящую кромку - 7; центр масс - 8 и ось жесткости (упругая ось) - 9 смещены и приближены к оси гидродинамических фокусов профилей сечений лопасти - 10.

Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что кавитационный износ снижается не при помощи дробления кавитационной каверны противокавитационными элементами, а снижением виброактивности лопасти ее носовой балансировкой за счет изменения центровки утяжеляющими элементами у входящей кромки, которые могут выступать за пределы лопасти или быть выполнены заподлицо с ней, и имеющимися полостями у выходящей кромки. Наличие полостей также переносит ось жесткости к оси гидродинамических фокусов лопасти.

Положительный эффект изобретения состоит в том, что носовая балансировка лопасти по хордам профилей и перенос оси жесткости к оси фокусов резко увеличивает способность лопасти к гидродинамическому демпфированию колебаний, предотвращает возникновение связанных изгибно-крутильных колебаний в диапазоне рабочих скоростей лопасти и снижает уровень высокочастотных вибраций, чем повышает КПД, снижает вибрационную кавитационную эрозию и повышает долговечность судовых движителей и других гидродинамических устройств.

Использование: в судостроении и машиностроении, в качестве движителя, в гидротурбинах и гидронасосах. Сущность изобретения: в лопасти, содержащей входящую и выходящую кромки, имеющей профилированную форму поперечного сечения, центр масс и ось жесткости профилей сечений смещены к оси гидродинамических фокусов профилей сечений до исключения автоколебаний. Смещение центра масс обеспечивается установкой в передней части лопасти утяжеляющих вставок или выполнением задней части лопасти с полостями. Использование изобретения повышает КПД движителей и нагнетателей и приводит к снижению кавитационной эрозии. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лопасть судового движителя, содержащая переднюю часть с входящей кромкой и заднюю часть с выходящей кромкой, имеющая профилированную форму поперечного сечения, отличающаяся тем, что центр масс м упругая ось профилей сечений лопасти смещены к оси гидродинамических фокусов профилей сечений лопасти до исключения связанных изгибно-крутильных колебаний в диапазоне рабочих скоростей лопасти. 2. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что для смещения центра масс в передней части лопасти установлены утяжеляющие вставки. 3. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что для смещения центра масс и упругой оси задняя часть лопасти выполнена с полостями.