СУДОВАЯ ВИНТОРУЛЕВАЯ КОЛОНКА Российский патент 1999 года по МПК B63H5/14 B63H5/125 

Изобретение относится к судостроению, в частности, к движительному комплексу судна, предназначенного для эксплуатации во льдах.

В настоящее время большое внимание уделяется использованию судовых винторулевых колонок, обеспечивающих движение и маневрирование судна в ледовых условиях.

Широко известны судовые винторулевые колонки, обеспечивающие движение и маневрирование судна в ледовых условиях типа Azipod фирмы Kvaerner Masa-Yards, работающие в тянущем режиме и содержащие обтекаемую стойку и торпедообразную гондолу с размещенными внутри них элементами приводного механизма и гребным валом, на консольной части которого закреплен гребной винт (см. например, Azipod, Project Guide, Kvaerner Masa-Azipod, Руководство, сент. 1995 г).

Недостатком известного устройства является то, что гребной винт не защищен от разрушающего действия льда, а эффективность движителя с лопастями фиксированного шага недостаточна.

Известны судовые винторулевые колонки норвежской фирмы Ugland Offshore, работающие в тянущем режиме и содержащие обтекаемую стойку и торпедообразную гондолу с размещенными внутри них элементами приводного механизма и гребным валом, на консольной части которого закреплен гребной винт регулируемого шага, установленный внутри направляющей насадки (см. например, проспект фирмы Ugland Offshore, Норвегия, на ледоколы "Fennica", "Nordica").

Недостатком известного устройства является незащищенность лопастей гребного винта от разрушающего действия льда и неудовлетворительные эксплуатационные качества судна при плавании в тяжелых льдах, ввиду забивания входного отверстия насадки блоками льда, подсасываемыми гребным винтом, что приводит к резкому снижению тяги движительного комплекса и увеличению вибрации корпуса судна. При этом часто наблюдаются внезапные остановки судна, что увеличивает опасность столкновения с судном, движущимся в караване. В случае заклинивания льдины между лопастями и насадкой при движении судна в торосистом льде ее удаление при реверсировании гребного винта может оказаться невозможным.

Известна также судовая винторулевая колонка для движения и маневрирования судна в ледовых условиях, содержащая обтекаемую стойку и торпедообразную гондолу с размещенными внутри них элементами приводного механизма, гребным валом, на консольно выступающей части которого закреплены гребной винт в направляющей насадке и ледоразрушающие элементы, выполненные в виде лопаток или лопастей, закрепленных перед гребным винтом с возможностью ломки и дробления льда (см. патент Финляндии N 91513 А, 31.03.94, B 63 H 5/16) - прототип.

Недостатком известного устройства является незащищенность входного отверстия направляющей насадки от забивания его обломками льда, невозможность отбрасывания льдин в сторону от насадки ввиду очень малых размеров ледоразрушающих элементов по сравнению с диаметром гребного винта.

Известное устройство предназначено для разрушения (дробления) льда и пропускания его через насадку. Такая операция выполнима только для тонких льдов, в которых работают сравнительно небольшие движители, например, движительные комплексы портовых ледоколов. В тяжелых ледовых условиях арктических льдов известное устройство неэффективно, так как оно не способно отбрасывать крупные льдины от входного отверстия насадки, а мелкие льдины, увлекаемые в насадку, снижают эффективность работы движителя.

Заявляемое изобретение направлено на повышение эксплуатационных качеств судов ледового плавания путем обеспечения надежной защиты входного отверстия направляющей насадки винторулевой колонки судна от забивания его обломками льда и повышение эффективности использования судовых винторулевых колонок в тяжелых ледовых условиях.

Поставленная цель достигается тем, что ледоразрушающие элементы в виде лопаток или лопастей в точке своего максимального диаметра расположены от плоскости входного отверстия насадки на расстоянии 0.02-0.25 диаметра гребного винта, а диаметр лопаток или лопастей равен 0.6-0.8 диаметра гребного винта. При этом лопатки или лопасти размещены равномерно по окружности в поперечной гребному валу плоскости.

Сущность заявленного изобретения поясняется рисунками, где на фиг.1 показана судовая винторулевая колонка с ледоразрушающими элементами; на фиг. 2 - результаты модельных испытаний движителя с ледоразрушающими элементами.

Судовая винторулевая колонка (фиг.1) состоит из обтекаемой стойки 1 и торпедообразной гондолы 2, внутри которых размещены элементы приводного механизма (на фиг. не показаны), и гребного вала 3, на консольно выступающей части которого закреплен гребной винт 4, установленный внутри направляющей насадки 5. Ледоразрушающие элементы 6 в виде лопаток или лопастей закреплены на гребном валу 3 перед гребным винтом и насадкой на расстоянии Δ = (0.02-0.25)D_В, где D_В - диаметр гребного винта. Направляющая насадка закреплена на корпусе гондолы 2 с помощью кронштейнов 7, а винторулевая колонка в целом закреплена в кормовой оконечности судна 8 (Винторулевая колонка может быть установлена также в носовой части судна).

Лопатки или лопасти 6 выполнены с повышенной прочностью, т.е. более массивными, чем это необходимо для выполнения функции направления потока воды, с тем, чтобы они эффективно выполняли другую основную функцию - разрушение и отбрасывание льда в области перед насадкой.

Диаметр ледоразрушающих лопаток или лопастей выбран таким образом, чтобы они эффективно выполняли свое функциональное назначение: эффективно отбрасывать и разрушать лед и формировать поток перед насадкой. Для этого их диаметр должен быть в 1.5-2 раза больше диаметра ступицы гребного винта. Верхний предел диаметра лопаток или лопастей выбран из необходимости выполнения очевидного требования недопустимости появления более значительных ледовых нагружений гребного вала, чем от открытого гребного винта. Лопатки (лопасти) в процессе работы движительного комплекса достаточно часто должны будут фрезеровать лед. При этом ледовый момент сопротивления вращению будет пропорционален их диаметру в степени (2-2.5) (см. например, 5th Lips Propeller Symposium, Drunen, The Nethorlands, 19-20 May, 1983). Поэтому выбор диаметра ледоразрушающих лопаток представляет собой предмет исследования, который должен проводиться с учетом как характеристик движительного комплекса, так и кормовых обводов судна и условий его плавания во льдах. Модельные испытания показывают, что выбор диаметра лопаток или лопастей в диапазоне 0.6-0.8 диаметра гребного винта является оптимальным.

Ледоразрушающие лопатки должны быть установлены перед направляющей насадкой на некотором удалении от носовой кромки насадки. При очень близком расположении лопаток от входного отверстия насадки отбрасывание лопатками льдин будет затруднено силами подсоса насадки. В этом случае все льдины в районе входного отверстия насадки будут разрушаться лопатками путем фрезерования, на что будет затрачиваться энергия вращения вала и нагружаться валопровод. Однако лопатки не могут быть установлены далеко впереди насадки, т. к. потеряют способность защиты винта и насадки. Результаты модельных испытаний показывают, что оптимальное расстояние между лопатками (лопастями) в точке их максимального диаметра и плоскостью входного отверстия насадки составляет 0.02-0.25 диаметра гребного винта в насадке.

Ледоразрушающие лопатки или лопасти должны быть установлены равномерно в поперечной к гребному валу плоскости с тем, чтобы исключить инерционные нагрузки на валопровод.

Диаметр ледоразрушающих лопаток (лопастей), их количество и удаление от носовой кромки насадки для каждого конкретного судна и ледовых условий его плавания должно выбираться на основании испытаний в гидродинамическом и ледовом опытовом бассейнах.

Установка ледоразрушающих лопаток перед насадкой неизбежно приводит к уменьшению гидродинамической эффективности движительного комплекса. Поэтому потребовалась оценка степени влияния лопаток (лопастей) на гидродинамическую эффективность предлагаемого в заявке движителя. Авторами заявки были выполнены специальные сравнительные гидродинамические испытания движителя по заявке и изолированного комплекса "винт-насадка". В обоих случаях использовался один и тот же комплект "винт-насадка", а лопатки (лопасти) моделировались за счет установки на различных отстояниях перед насадкой дополнительной модели четырехлопастного винта, диаметр которого составлял 0.7 диаметра винта в насадке. С помощью динамометров измерялись гидродинамический упор на валу T_В, крутящий момент Q_Σ, упор насадки T_Н, а также частота вращения вала n и скорость движения движителя V. Рассчитывались значения безразмерных коэффициентов:
коэффициент суммарного упора
,
коэффициент момента движителя
,
ρ - плотность воды;
D - диаметр винта в насадке;
относительная поступь
λ = V/nD
и коэффициент полезного действия движителя
.

Результаты модельных испытаний представлены на фиг.2, где по оси абсцисс отложены значения λ, а по оси ординат - значение K_TΣ, K_QΣ и η_P.
Кривые (1), (2), (3) на этом графике соответствуют значениям K_TΣ, K_QΣ и η_P стандартного движительного комплекса "винт-насадка". Кривые (4), (5) и (6) показывают изменение K_TΣ, K_QΣ и η_P соответственно, которые относятся к предлагаемому движителю.

Таким образом видно, что установка перед направляющей насадкой вращающихся лопаток-лопастей не ухудшает гидродинамической эффективности движителя по заявке в сравнении с комплексом "винт-насадка".

Судовая винторулевая колонка работает следующим образом. Гребной винт при вращении развивает упор, обеспечивающий движение судна. За счет использования направляющей насадки упор дополнительно увеличивается на 20-25%. Лопатки или лопасти, вращаясь вместе с гребным винтом, отбрасывают либо разрушают лед и препятствуют закрытию входного отверстия насадки.

Изобретение относится к судостроению, к движительным комплексам судов, предназначенных для эксплуатации во льдах. Сущность изобретения заключается в том, что в винторулевой колонке, содержащей стойку и гондолу с элементами приводного механизма и гребным валом, на консольной выступающей части которого закреплен гребной винт в направляющей насадке и ледоразрушающие элементы в виде лопаток или лопастей, закрепленных перед винтом с возможностью дробления льда, последние установлены на расстоянии 0,02-0,25 диаметра винта от плоскости входного отверстия насадки, а их диаметр равен 0,6-0,8 диаметра гребного винта. Лопатки или лопасти ледоразрушающих элементов равномерно распределены по окружности в поперечной гребному валу плоскости. Использование изобретения повышает эксплуатационные качества судов при плавании во льдах, защищая входное отверстие насадки винторулевой колонки от забивания обломками льда. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Судовая винторулевая колонка для движения и маневрирования судна в ледовых условиях, содержащая обтекаемую стойку и гондолу с размещенными внутри них элементами приводного механизма, гребным валом, на консольной выступающей части которого закреплен гребной винт в направляющей насадке и ледоразрушающие элементы, выполненные в виде лопаток или лопастей, закрепленных перед гребным винтом с возможностью ломки и дробления льда, отличающаяся тем, что лопатки или лопасти в точке своего максимального диаметра расположены от плоскости входного отверстия насадки на расстоянии 0,02 - 0,25 диаметра гребного винта, а диаметр лопаток или лопастей выбран равным 0,6 - 0,8 диаметра гребного винта. 2. Колонка по п.1, отличающаяся тем, что лопатки или лопасти ледоразрушающих элементов размещены равномерно по окружности в поперечной гребному валу плоскости.