Роторно-винтовой движитель для арктического амфибийного средства Российский патент 2024 года по МПК B60F3/00 B63B35/12 

Изобретение относится к судовым роторно - винтовым движителям (РВД), предназначенным для передвижения по воде, по воде с обломками льда, по поверхности ледового покрова с обеспечением выхода арктического амфибийного средства (АМС) из воды на поверхность льда.

Для осуществления промышленного развития районов крайнего севера, освоения арктических нефтегазоконденсатных месторождений требуются современные амфибийные средства с увеличенной грузовой и пассажирской вместимостью, предназначенные для выполнения спасательных операций, перевозки грузов в арктических условиях. Способность выхода АМС из воды на лед определяет его эффективность эксплуатации в ледовых условиях.

Известен патент RU 2481996 C1 на шнекоход, который состоит из четного количества полых цилиндров, имеющих спирали на образующей, и цилиндров-поплавков. Каждая спираль с соответствующим полым цилиндром имеет, по меньшей мере, двухточечную кинематическую связь. Кинематическая связь позволяет спирали вращаться с реверсом вокруг цилиндра-поплавка. Цилиндр-поплавок служит статором спирали. Вращение шнеку-поплавку со спиралью передается приводом только на спираль. Достигается повышение скоростных возможностей судового движителя.

Известен патент RU 2483964 C1 на роторно-винтовой движитель судна, который состоит из четного числа полых поплавков, имеющих охватывающие спирали вдоль внешней поверхности. На каждом из движительных уровней судна, начиная с ватерлинии и ниже, содержится два полых поплавка. Поплавки служат статорами унифицированным под них спиралям-роторам, имеющими автономный привод роторов соответствующего уровня.

В качестве прототипа предлагаемого устройства роторно - винтового движителя принят патент RU 187660 на конструкцию шнекового движителя, состоящем из двух базовых цилиндров, которые имеют противоположное направление навивки спиралей и противоположное направление вращения, винтовые лопасти имеют поперечное сечение в виде треугольника с прямоугольным вырезом.

Недостатком вышеуказанных роторно-винтовых движителей является недостаточное тяговое усилие, развиваемое роторно-винтовым движителем при движении АМС с большой грузовой и пассажирской вместимостью.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение тягового усилия, развиваемого роторно-винтовым движителем при движении арктического амфибийного средства, обеспечение эффективности и прочности АМС.

Технический результат достигается тем, что в роторно-винтовом движителе для арктического амфибийного средства, состоящем из полых цилиндрических поплавков с заходным (носовым) и кормовым конусными частями, выполненными в виде усеченного конуса, и со сплошной винтовой поверхностью в виде винтовой линии вдоль продольной оси поплавков, имеющих охватывающие спирали вдоль внешней поверхности поплавков, согласно изобретению на конусной части заходного и кормового конуса поплавка роторно-винтового движителя (помимо двух основных длинных) выполнены два дополнительных коротких захода винтовой линии с переходом на цилиндр поплавка (для улучшения зацепления РВД за кромку льда и обеспечения выхода арктического амфибийного средства на ледовый покров, а также повышения гидродинамической эффективности при работе в воде), при этом кормовая часть поплавка движителя по размерам соответствует заходной части поплавка движителя (для снижения сопротивления при движении в воде).

Винтовые линии на цилиндре и заходном конусе имеют угол наклона 30-40 град, относительная высота винтовой линии составляет где h - высота винтовой линии, - базовый (наружный) диаметр цилиндра поплавка движителя; относительная длина заходного и кормового конусов составляет где - длина заходного и кормового конусов; относительный диаметр торцов заходного и кормового конусов составляет где - диаметр торцов заходного и кормового конусов; конусность заходного и кормового конусов составляет (для улучшения тяговых характеристик движителя в воде и для обеспечения прочности при его движении по льду).

Поперечное сечение винтовых линий имеет форму треугольника с центральной пластиной и углом раствора 30-33 град, относительная толщина боковой стенки винтовой линии составляет где - толщина боковой стенки винтовой линии, h - высота винтовой линии движителя; относительная толщина центральной пластины винтовой линии составляет где - толщина центральной пластины винтовой линии; относительный радиус закругления вершины винтовой линии составляет где - радиус закругление вершины винтовой линии (для обеспечения прочности винтовой линии движителя и ходкости арктического амфибийного средства при его движении по льду и в чистой воде).

Стык боковых стенок винтовых линий с цилиндром выполнен в виде разгружающего галтельного перехода (скругление углов для снижения напряжений в указанном узле и предотвращения его разрушения и обеспечения прочности при движении по льду).

Относительная толщина оболочки цилиндра движителя составляет где - толщина оболочки цилиндра движителя, диаметр цилиндра движителя (для обеспечения обшей прочности при эксплуатации в ледовых условиях).

На фиг.1 изображен общий вид РВД арктического амфибийного средства; на фиг.2 - конструктивный чертеж поперечного сечения винтовой линии движителя;

На фигурах обозначены: 1 - цилиндрический поплавок (цилиндр); 2 - заходный (носовой) конус; 3 - кормовой конус; 4 - винтовая линия; 5 - короткие заходы винтовой линии на заходном и кормовом конусах; 6 - длина заходного и кормового конусов; 7 - диаметр торцов заходного и кормового конусов; 8 - угол наклона винтовой линии; 9 - угол раствора в вершине винтовой линии; 10 - центральная пластина; 11 - боковые стенки винтовой линии; 12 - вершина винтовой линии; 13 - галтельный переход; 14 - длина галтельного перехода; 15 - высота галтельного перехода.

Роторно-винтовой движитель для арктического амфибийного средства состоит (фиг.1) из полых цилиндрических поплавков 1 с заходным 2 и кормовым 3 конусными частями, выполненными в виде усеченного конуса, и со сплошной винтовой поверхностью в виде винтовой линии 4 вдоль продольной оси поплавков 1, имеющих охватывающие спирали вдоль внешней поверхности поплавков 1, на конусной части заходного и кормового конуса 2 поплавка 1 роторно-винтового движителя выполнены два дополнительных коротких захода 5 винтовой линии с переходом на цилиндр поплавка 1. При этом кормовая часть поплавка движителя по размерам соответствует заходной части поплавка движителя. Относительная длина заходного 2 и кормового 3 конусов составляет где - длина 6 заходного и кормового конусов, - диаметр цилиндра 1 поплавка движителя. Относительный диаметр торцов заходного 2 и кормового 3 конусов составляет где - диаметр торцов 7 заходного и кормового конусов. Угол наклона винтовой линии 8 составляет 34 град., что обеспечивает максимальный гидродинамический КПД движителя во всем рабочем диапазоне скорости вращения РВД и скорости движения арктического амфибийного средства. Относительная высота винтовой линии на цилиндре 1 принимается максимальной для повышения тяги в воде при обеспечении прочности в ледовых условиях, h - высота винтовой линии. Для обеспечения прочности РВД относительная толщина оболочки цилиндра поплавка 1, заходного 2 и кормового 3 конусов РВД составляет - толщина оболочки цилиндра 1, заходного 2 и кормового конусов 3.

Поперечное сечение винтовой линии (фиг.2) выполнено в виде треугольника с углом раствора 9 в вершине 33 град. Для обеспечения прочности установлена центральная пластина 10, относительная толщина центральной пластины составляет где - толщина центральной пластины винтовой линии, t_бст - толщина боковой стенки 11 винтовой линии. Относительная толщина боковой стенки 4 винтовой линии составляет где h - высота винтовой линии. Вершина винтовой линии 12 скруглена, относительный радиус закругления вершины составляет что позволяет обеспечить минимально - необходимое заглубление винтовой линии в ледовый покров для обеспечения ее контакта с ледовой поверхностью и движения АМС по ледовому покрову, преодоления ледовых склонов при минимальных значениях ледового момента на РВД и мощности главного двигателя АМС.

Галтельный переход 13 выполнен в районе стыка боковой стенки 11 винтовой линии с поплавком 1 РВД; относительная длина галтельного перехода составляет где - длина 14 галтельного перехода, h - высота винтовой линии; профиль галтельного перехода в поперечном сечении винтовой линии определяется координатами где - высота 15 галтельного перехода. Предлагаемый РВД арктического амфибийного средства работает следующим образом.

При работе в воде главный двигатель (на рисунке не показан) АМС обеспечивает момент и упор РВД. Винтовые линии 4 и 5 на цилиндре 1 и заходном конусе 2 работают как лопатка гидродинамического движителя, на засасывающей поверхности винтовой линии образуется зона пониженного давления, а на нагнетающей поверхности винтовой линии - зона повышенного давления. Перепад давлений на элементе винтовой линии обуславливает возникновение силы гидродинамической реакции, продольная проекция силы гидродинамической реакции формирует упор РВД, обеспечивающий поступательное движение АМС в воде. Поперечная проекция силы гидродинамической реакции формирует момент сопротивления РВД. Кормовая часть РВД в виде усеченного конуса 3 с заявленными характеристиками конусности обеспечивает уменьшение зоны отрыва потока и гидродинамического сопротивления РВД, тем самым увеличивая его упор и КПД. По результатам расчетов на ходовых режимах максимальный гидродинамический КПД РВД реализуется при угле наклона винтовой линии 34 град.

При движении АМС по поверхности ледового покрова под действием силы веса АМС винтовые линии 4 и 5 РВД, имеющие поперечное сечение в виде треугольника заглубляются в лед, главный двигатель АМС обеспечивает момент на РВД и его вращение, в результате которого нагнетающая поверхность винтовых линий разрушает лед и образуются ледовые крутящий момент на РВД и сила, обеспечивающая движение АМС. Поперечное сечение винтовой линии в виде треугольника с углом 9 раствора 33 град, и с относительным радиусом закругления вершины 12 где h - высота винтовой линии) обеспечивает минимально-необходимое заглубление винтовой линии в ледовый покров для реализации эффективного контакта и движения АМС по ледовому покрову при минимальных ледовых моментах на РВД и мощности главного двигателя АМС. Прочность винтовой линии обеспечивается конструктивными размерами (фиг.2) и галтельным переходом 13.

В режиме выхода арктического амфибийного средства из воды на ледовый покров АМС разгоняется на чистой воде до скорости, достаточной для зацепа РВД винтовыми линиями 4 и 5 на заходном конусе 2 о кромку ледового покрова. Дополнительные к двум имеющимся длинным заходам винтовой линии 4 два коротких захода 5 винтовой линии на заходном конусе 2 с переходом последней на цилиндр 1 позволяет обеспечить зацеп РВД за кромку ледового поля и выход арктического амфибийного средства на лед, повышая гидродинамическую эффективность РВД.

После разгона и контакта форштевня АМС с кромкой ледового поля АМС продолжает движение под действием сил инерции и гидродинамического упора частей РВД в воде до зацепа кромки ледового поля винтовыми линиями на заходном конусе. Главный двигатель АМС обеспечивает момент на РВД и его вращение, в результате которого нагнетающая поверхность винтовой линии на заходном конусе разрушает лед, в результате чего образуются ледовые крутящий момент на РВД и сила, обеспечивающая поступательное движение РВД и АМС с последующим зацепом винтовых линий на цилиндре РВД о кромку ледового покрова и выход АМС на лед.

Заявляемая конструкция роторно-винтового движителя прошла лабораторные испытания, в результате которых подтвердились эксплуатационные характеристики арктического амфибийного средства.

Изобретение относится к судовым роторно-винтовым движителям (РВД), предназначенным для передвижения по воде, по поверхности ледового покрова с обеспечением выхода арктического амфибийного средства (АМС) из воды на поверхность льда. Роторно-винтовой движитель для арктического амфибийного средства состоит из полых цилиндрических поплавков с заходным и кормовым конусными частями, выполненными в виде усеченного конуса, и со сплошной винтовой поверхностью в виде винтовой линии вдоль продольной оси поплавков, имеющих охватывающие спирали вдоль внешней поверхности поплавков. На конусной части заходного конуса поплавков роторно-винтового движителя выполнены дополнительные короткие заходы винтовой линии с переходом на цилиндр поплавков. На конусной части кормового конуса поплавков роторно-винтового движителя также выполнен дополнительный короткий заход винтовой линии с переходом на цилиндр поплавков. Достигается увеличение тягового усилия, развиваемого роторно-винтовым движителем при движении арктического амфибийного средства, а также обеспечение эффективности и прочности АМС. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Роторно-винтовой движитель для арктического амфибийного средства, состоящий из полых цилиндрических поплавков с заходным и кормовым конусными частями, выполненными в виде усеченного конуса, и со сплошной винтовой поверхностью в виде винтовой линии вдоль продольной оси поплавков, имеющих охватывающие спирали вдоль внешней поверхности поплавков, а на конусной части заходного конуса поплавков роторно-винтового движителя выполнены дополнительные короткие заходы винтовой линии с переходом на цилиндр поплавков, отличающийся тем, что на конусной части кормового конуса поплавков роторно-винтового движителя также выполнен дополнительный короткий заход винтовой линии с переходом на цилиндр поплавков, при этом винтовые линии на цилиндре поплавка и заходном конусе имеют угол наклона от 30 до 40°, относительная высота винтовой линии составляет h/d_БЦ = 0,13-0,17, где h - высота винтовой линии, d_БЦ - диаметр цилиндра поплавка движителя, относительная длина заходного и кормового конусов составляет l_кон/d_БЦ = 0,7-0,8, где l_кон - длина заходного и кормового конусов, относительный диаметр торцов заходного и кормового конусов составляет d_кон/d_БЦ = 0,25-0,5, где d_кон - диаметр торцов заходного и кормового конусов, конусность заходного и кормового конусов составляет (d_БЦ-d_кон)/l_кон = 0,65-1,1.

2. Роторно-винтовой движитель для арктического амфибийного средства по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение винтовых линий имеют форму треугольника с центральной пластиной и углом раствора 30-33°, относительная толщина боковой стенки винтовой линии составляет t_бст/h = 0,05-0,06, где t_бст - толщина боковой стенки винтовой линии, h - высота винтовой линии движителя, относительная толщина центральной пластины винтовой линии составляет t_ЦП/t_бст = 0,5-0,75, где t_ЦП - толщина центральной пластины винтовой линии, относительный радиус закругления вершины винтовой линии составляет r_скp/h = 0,0115-0,015, где r_скр - радиус закругления вершины винтовой линии.

3. Роторно-винтовой движитель для арктического амфибийного средства по п.1, отличающийся тем, что относительная толщина оболочки цилиндра движителя составляет t_БЦ/d_БЦ = 0,005-0,007, где t_БЦ - толщина оболочки цилиндра движителя, d_БЦ - диаметр цилиндра движителя.

4. Роторно-винтовой движитель для арктического амфибийного средства по п.1, отличающийся тем, что стык боковых стенок винтовых линий с цилиндром выполнен в виде галтельного перехода.