МОРСКОЕ СУДНО, ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ РАБОТЫ В ЛЬДИСТЫХ ВОДАХ
SEA VESSEL TO OPERATE IN ICE CONDITIONS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к движителю для морского судна, предназначенного для работы в льдистых водах, который содержит гребной винт, выполненный с возможностью воздействия на находящийся в воде лед с его разрезанием. Данное изобретение также относится к морскому судну, предназначенному для работы в льдистых водах, которое содержит движитель, выполненный с возможностью воздействия на находящийся в воде лед с его разрезанием.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В некоторых морских судах используют тип движителя, известного как азимутальное подруливающее устройство (иногда также называемое азимутным подруливающим устройством). Азимутальное подруливающее устройство содержит гондолу или капсулу, которая выполнена в виде отдельного блока, прикрепленного к наружной части корпуса судна. На одном конце гондолы или капсулы прикреплен гребной винт. Мотор, приводящий в движение гребной винт, может быть расположен внутри гондолы/капсулы или внутри указанного корпуса. Когда указанный мотор установлен внутри гондолы/капсулы, то указанный мотор обычно является электрическим мотором и такое азимутальное подруливающее устройство с электрическим мотором внутри гондолы обычно называется подвесным движителем. Энергия для электрического мотора может в свою очередь поступать от двигателя, расположенного на судне, обычно дизельного двигателя или газовой турбины. Когда указанный мотор установлен в корпусе судна, то указанный мотор часто является дизельным или дизель-электрическим мотором, при этом энергия может передаваться к гребному винту с помощью механической трансмиссионной передачи. В зависимости от расположения вала указанная трансмиссионная передача может быть L-образным или Z-образным приводом. При L-образном приводе имеется вертикальный входной вал и горизонтальный выходной вал. При Z-образном приводе имеется горизонтальный входной вал, вертикальный вал и горизонтальный выходной вал с двумя ортогональными зубчатыми передачами. Азимутальное подруливающее устройство обычно соединено с корпусом судна так, что оно может быть повернуто в любом горизонтальном направлении. Соответственно, движитель или движители могут использоваться для маневрирования так, что руль больше не является необходимым. Фактически азимутальные подруливающие устройства могут обеспечить суднам лучшую маневренность, по сравнению с системой, в которой используется закрепленный гребной винт и руль.
Многие морские суда должны иметь возможность работать в льдистых водах. Соответственно, они должны иметь возможность прокладывать путь через лед. Морские суда, содержащие азимутальные подруливающие устройства (например, подвесные движители), могут использоваться в покрытых льдом водах. Например, в патенте США №5996520 предложен ледокол, который может быть выполнен с управляемыми движительными аппаратами. Кроме того, в патенте США №4198917 предложена возможность использования винта для разламывания льда, который может загромождать путь морского судна.
Кроме того, также было предложено использование азимутальных подруливающих устройств (например, подвесных движителей) в качестве разламывающих лед устройств. При использовании азимутальных подруливающих устройств для разламывания льда, указанное устройство (устройства) разворачивают так, что его гребной винт обращен ко льду. Затем указанный гребной винт используют в качестве режущего инструмента для разрезания льда. Связанная с этим проблема заключается в том, что указанное азимутальное подруливающее устройство может испытывать очень сильное противодействие в горизонтальной плоскости.
В патентном документе СА 2025507 предложено устройство, которое содержит насадку, внутри которой расположен гребной винт. Впереди указанного гребного винта расположена передняя деталь, которая выполняет функцию дробящего лед устройства. Указанная передняя деталь в этом устройстве служит только для защиты гребного винта, при этом указанный гребной винт не способен воздействовать на лед так, чтобы обеспечивать разрезание слоя льда или разрезание глыб льда, поскольку указанный гребной винт расположен в насадке и указанная передняя деталь активно препятствует прохождению глыб льда к гребному винту.
В патентном документе США 2010/0162934 приведено описание способа для улучшения характеристик, обеспечивающих разламывание льда судном, путем использования наклонного конца кормы, который способен разламывать лед, и допускает перемещение судна через лед. Затем указанное судно врезается в лед расположенным спереди гребным винтом. Однако существенный недостаток, связанный с этой конструкцией, заключается в большой нагрузке, приходящейся на гребной винт и его втулку и, соответственно, в опасности возникновения повреждений, обусловленных этой нагрузкой, поскольку большие глыбы льда, не достаточно разрушенные концом кормы судна, могут натолкнуться на собственно гребной винт, что в результате приводит к возникновению значительных горизонтальных сил. Несмотря на то, что указанный гребной винт часто рассчитан на выдерживание подобных сил, тем не менее, втулка и окружающие компоненты, например подшипники вала, подвергаются значительной опасности поломки.
Цель данного изобретения заключается в создании улучшенного движителя, который подходит для разламывания льда (разрушения льда, дробления льда), и в котором горизонтальные силы, действующие на указанное движительное устройство, могут быть уменьшены.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к движителю для морского судна, предназначенного для работы в льдистых водах. Указанный движитель содержит гребной винт, выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси в плоскости вращения гребного винта. Указанный гребной винт установлен на втулке, выполненной с возможностью вращения вместе с гребным винтом, при этом указанный гребной винт расположен с обеспечением возможности его воздействия на кусок льда (например, глыбу льда или слой льда) в воде для разламывания льда, даже если указанный кусок льда имеет протяженность, превосходящую диаметр гребного винта. Для удобства выражение «глыба льда» далее будет использоваться для обозначения любого куска льда в воде, независимо от того будет ли это неровная глыба, айсберг или ледяной покров. В соответствии с данным изобретением указанная втулка выполнена в виде режущего элемента с возможностью разламывания льда, с которым сталкивается указанная втулка.
В вариантах выполнения данного изобретения указанная втулка выполнена в форме конуса, проходящего в направлении оси гребного винта.
В самых предпочтительных вариантах выполнения указанная втулка проходит за пределы плоскости вращения гребного винта так, что указанная втулка может столкнуться со стенкой льда до того, как гребной винт столкнется с этой же стенкой льда
В вариантах выполнения данного изобретения указанная втулка может быть выполнена с выступами, выполненными с возможностью разламывания льда, с которым сталкивается указанная втулка. Указанные выступы могут быть выполнены в виде ребер (т.е. буртиков, гребней) или в виде бугорков, которые обеспечивают неровную поверхность втулки.
Вместо выполнения на втулке выступов указанную втулку можно выполнить с многоугольным поперечным сечением. Например, указанная втулка может иметь квадратный или треугольный профиль.
Указанный движитель предпочтительно является азимутальным подруливающим устройством.
Данное изобретение также относится к морскому судну, предназначенному для работы в льдистых водах. Указанное морское судно содержит по меньшей мере один движитель, который предпочтительно является азимутальным подруливающим устройством с удлиненной капсулой/гондолой, проходящей от первого конца и второго конца. На указанной капсуле/гондоле установлен гребной винт вместе с втулкой для гребного винта, причем гребной винт выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси в плоскости вращения гребного винта. И гребной винт, и втулка установлены на первом конце капсулы. Указанный движитель выполнен с возможностью обеспечения движения указанного морского судна и в направлении вперед, и в направлении назад. Указанный гребной винт расположен с обеспечением возможности его воздействия на глыбу льда (например, ледяной покров) для ее разламывания, даже если указанная глыба льда имеет протяженность, превышающую диаметр указанного гребного винта. В соответствии с данным изобретением указанная втулка выполнена в виде режущего элемента с возможностью разламывать лед, с которым сталкивается втулка.
Следует понимать, что предлагаемый движитель и все его варианты выполнения могут быть использованы в указанном морском судне.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение морского судна с движителем.
Фиг.2 показывает схематически это же морское судно, но с иначе расположенным движителем.
Фиг.3 показывает схематически, каким образом происходит столкновение движителя с глыбой льда.
Фиг.4 представляет собой вид движителя в соответствии с данным изобретением со стороны гребного винта.
Фиг.5 представляет собой вид сбоку движителя, показанного на сриг.4.
Фиг.6 представляет собой вид в аксонометрии движителя, показанного на фиг.4 и 5.
Фиг.7 представляет собой вид, соответствующий виду, показанному на фиг.1, но в другом масштабе.
Фиг.8 представляет собой вид сбоку другого варианта выполнения по данному изобретению.
Фиг.9 представляет собой вид сзади еще одного варианта выполнения.
Фиг.10 представляет собой вид сбоку еще одного варианта выполнения.
Фиг.11 представляет собой вид сбоку другого варианта выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на фиг.1 морское судно 2 проходит по воде, в которой имеются глыбы льда (например, в виде ледяного покрова или в форме айсбергов). На фиг.1 глыба льда схематически обозначена символом J. Указанное морское судно 2 имеет движитель 1, который можно более детально видеть на фиг.7. Указанный движитель 1 предпочтительно является азимутальным подруливающим устройством.
Показанный на фиг.1 движитель 1 содержит гондолу или капсулу 6. Указанная гондола служит в качестве корпуса, вмещающего или мотор (не показан), расположенный внутри гондолы, или трансмиссионную передачу от двигателя (не показан), расположенного в корпусе 10 морского судна 2. Капсула 6 имеет первый конец 7 и второй конец 9. Показано, что капсула 6 подвешена на кронштейне 11, который может по существу иметь обтекаемую форму Указанный кронштейн 11 может по существу иметь верхний элемент 12, который с возможностью поворота прикреплен к корпусу 10 морского судна 2. В корпусе 10 морского судна 2 имеется оборудование (не показано), обеспечивающее поворот движителя 1 вокруг по существу вертикальной оси. В данном контексте термин «вертикальный» относится к вертикальному направлению в условиях нахождения морского судна в воде без крена на правый борт или левый борт. Таким образом, эта вертикальная ось, вокруг которой может поворачиваться движитель 1, проходит по существу перпендикулярно оси гребного винта. В предпочтительных вариантах выполнения указанная по существу перпендикулярная ось, вокруг которой может поворачиваться движитель 1, может быть отклонена на угол до 10° или около 10° от идеально вертикальной оси. Таким образом, движитель 1 может быть повернут в плоскости, которая по существу является горизонтальной. Движитель 1 содержит гребной винт 3, выполненный с возможностью вращения относительно оси А гребного винта (см. фиг.7) в плоскости вращения гребного винта 3. Указанная плоскость вращения гребного винта 3 проходит перпендикулярно оси А гребного винта. Гребной винт 3 установлен на втулке 4, выполненной с возможностью вращения вместе с гребным винтом 3. Как гребной винт 3, так и втулка 4 установлены у первого конца 7 капсулы 6. В данном случае отсутствует насадка, которая окружает или закрывает гребной винт 3. Соответственно, указанный гребной винт 3 выполнен с возможностью воздействовать непосредственно на лед без возникновения препятствия со стороны гондолы или других элементов. Однако на фиг.1 показано, что движитель 1 находится в положении, при котором гребной винт 3 обращен к корпусу 10 морского судна 3. С другой стороны, на сриг.2 движитель 1 повернут на 180° вокруг вертикальной оси по сравнению с положением, показанным на фиг.1. В этом положении движителя 1 гребной винт 3 может приводиться во вращение так, что судно 2 будет перемещаться в направлении льда J. Когда гребной винт 3 достигает льда J, гребной винт 3 начнет воздействовать на лед и резать его. Указанный движитель может таким образом прокладывать путь через глыбу льда, которая в противном случае представляет препятствие для указанного судна 2. Поскольку в этом случае отсутствует насадка, окружающая гребной винт 3, то он может свободно воздействовать на глыбу льда (например, ледяной покров или айсберг) в воде, обеспечивая разламывание льда, даже если указанная глыба льда J имеет протяженность, превышающую диаметр гребного винта. Следует понимать, что термин «протяженность» глыбы льда относится к протяженности указанной глыбы на стороне, обращенной к гребному винту, т.е. к протяженности в плоскости, параллельной плоскости вращения гребного винта.
Однако если гребной винт 3 должен использоваться для разламывания льда, когда указанный винт 3 находится в положении, показанном на фиг.2, то при таком разламывании льда возникает проблема, которая проиллюстрирована на фиг.3. Гребной винт 3 установлен на втулке 4, которая во многих вариантах может быть выполнена в форме конуса, проходящего в направлении оси гребного винта. Втулка 4 во многих предпочтительных вариантах выполнения может проходить за пределы плоскости вращения гребного винта 3, по меньшей мере, до некоторой степени. В этом случае втулка 4 может сталкиваться со стенкой льда до того, как с этой же стенкой льда столкнется гребной винт 3. Применительно к данному документу под выражением «стенка льда» понимается поверхность глыбы льда. При соударении гребного винта 3 со льдом может получиться так, что лед будет прижат к втулке 4. Это может произойти, в частности, в том случае, если втулка 4 или ее часть проходит за пределы плоскости вращения гребного винта 3, но это также может произойти и в другом случае. Если втулка 4 прижата ко льду, при этом образуется значительная горизонтальная сила F, действующая на втулку 4 и движитель 1. В соответствии с данным изобретением эта проблема решается благодаря выполнению втулки 4 в виде режущего элемента, выполненного с возможностью разламывания льда, с которым сталкивается втулка 4. Когда втулка 4 выполнена в виде режущего элемента, она будет обеспечивать возможность разламывания льда таким образом, что действующая на движитель горизонтальная сила значительно уменьшится. Ниже описано несколько соответствующих вариантов выполнения режущих элементов. Эти режущие элементы представляют собой, помимо прочего, выступы, ребра, бугорки, многоугольные профили и вырезы, при этом следует отметить, что любой из этих вариантов выполнения или их сочетания могут выполнять одну и ту же функцию, а именно разламывание льда, с которым сталкивается втулка 4. Таким образом, значительно снижается нагрузка в виде действующих на втулку 4 горизонтальных сил, что приводит к снижению риска повреждения втулки 4, а также к повышению способности разламывать лед и более плавному и более эффективному прохождению через лед и льдистые воды.
В вариантах выполнения по данному изобретению втулка 4 снабжена выступами, расположенными с обеспечением разламывания льда, который сталкивается с втулкой 4. В одном варианте выполнения, который показан на фиг.4-7, выступы выполнены в виде ребер (буртиков/гребней). Выступы 5 в виде ребер, показанные на фиг.4-7, могут иметь слегка закрученную форму так, что их можно сравнить с резьбой винта. Подобная форма может улучшить способность выступов 5 разламывать лед. Указанные ребра могут представлять собой ребра, имеющие высоту над поверхностью втулки 4, находящуюся в диапазоне, например, 3 мм-35 мм. Они также могут иметь высоту больше 35 мм, например до 50 мм или до 200 мм. Максимальная высота ребер или гребней может зависеть от диаметра гребного винта и составлять до 25% от диаметра гребного винта.
На фиг.4-6 показан вариант выполнения с четырьмя выступами 5. Следует понимать, что возможны варианты выполнения с другим количеством выступов 5. Например, возможны варианты выполнения с двумя, тремя, пятью или шестью выступами. Кроме того, возможны варианты выполнения только с одним единственным выступом 5.
В другом варианте выполнения, проиллюстрированном на фиг.8, выступы 5 выполнены в виде бугорков, которые обеспечивают неровную поверхность втулки 4.
В качестве альтернативы выступам 5 втулка 4 может иметь многоугольный профиль. Такой вариант выполнения показан на фиг.9. Как можно видеть на фиг.9, втулка 4 имеет прямые кромки 13, которые делят поверхность втулки на четыре поверхности 14, которые сужаются к концу втулки. Соответственно, указанная втулка 4 будет иметь острый конец, который может проникать в лед.
Поскольку втулка 4 вращается вместе с гребным винтом, то выступы 5 в вариантах выполнения, показанных на фиг.6 и 8, могут воздействовать на глыбу льда с обеспечением ее разламывания. Соответственно, при этом значительно уменьшится горизонтальная сила, действующая на втулку 4 и движитель 1. В варианте выполнения, показанном на фиг.9, кромки 13 будут выполнять ту же функцию, что и выступы 5 в вариантах выполнения, показанных на фиг.6 и 8.
В варианте выполнения, показанном на фиг.9, выполнено четыре кромки 13, так что втулка 4 будет иметь квадратный профиль. Следует понимать, что также возможны и другие многоугольные формы, например, треугольные (с тремя кромками 13), пятиугольные или шестиугольные. Кроме того, возможны варианты выполнения с количеством кромок 13 более шести.
В варианте выполнения, показанном на фиг.10, выступы 5 выполнены в виде ребер/гребней, имеющих, от конца втулки 4, увеличивающуюся высоту над поверхностью втулки 4, пока они не достигнут максимальной точки, от которой указанная высота уменьшается.
В варианте выполнения, показанном на фиг.11, втулка 4 имеет вырезы 16, обеспечивающие неровную поверхность втулки 4. Возможны варианты выполнения с количеством вырезов 16, например, от 2 до 12. Следует понимать, что также возможны варианты выполнения с количеством вырезов более 12. Кроме того, возможны варианты выполнения только с одним единственным вырезом 16. Таким образом, указанная втулка 4, может иметь по меньшей мере один вырез 16, так что поверхность втулки становится неровной.
В вышеописанных вариантах выполнения были рассмотрены различные способы выполнения неровной поверхности втулки 4. Следует понимать, что эти различные варианты могут быть по возможности объединены друг с другом. Например, втулка 4 может иметь сочетание из вырезов 16 и бугорков, или бугорки могут быть использованы на втулке, имеющей многоугольный профиль.
Данное изобретение также относится к морскому судну 2, предназначенному для работы в льдистых водах и оснащенному предлагаемым в изобретении движителем. Когда морское судно 2 оснащено подобным движителем 1, то указанный движитель 1 может находиться либо в закрепленном положении, в котором гребной винт 3 обращен от корпуса 10 судна и имеет возможность воздействовать на лед, или указанный движитель может быть повернут так, что гребной винт 3 ориентирован от корпуса 10 и способен воздействовать на лед, который в противном случае будет загромождать путь морского судна 2.
С помощью поворота движителя 1 (или движителей 1, при наличии более одного движителя) можно регулировать направление, в котором будет двигаться указанное морское судно. Указанный гребной винт каждого движителя 1 может быть приведен во вращение как назад, так и вперед. Когда указанный движитель находится в положении, показанном на фиг.1, то направление движения морского судна 2 может быть изменено либо поворотом всего движителя 1, либо реверсированием направления вращения гребного винта 3.
При эксплуатации морское судно 2, снабженное предлагаемым в соответствии с изобретением движителем 1, может проходить через льдистые воды. Если путь морского судна 2 загроможден льдом, то движитель 1 может быть повернут так, что первый конец 7 движителя обращен ко льду. Движитель 1 приводится в действие так, что гребной винт 3 продвигает морское судно 2 ко льду. Гребной винт 3 будет ударять лед и начнет разламывать лед, создавая тем самым во льду проход для морского судна 2.
Следует понимать, что указанное морское судно может иметь более одного движителя 1. Например, морское судно 2 может быть оборудовано двумя движителями в соответствии с данным изобретением. Оно также может иметь более двух движителей 2. Например, оно может содержать три, четыре, пять или даже больше таких движителей 1. Когда морское судно 2 содержит более одного движителя 1, они могут быть соответствующим образом расположены на кормовом конце 15 морского судна 2. Например, пара подобных движителей 1 может быть размещена параллельно на кормовом конце 15 морского судна 2. Однако движители 1 также могут быть расположены на носовом конце 8 судна.
Гребной винт может иметь диаметр величиной в диапазоне, например, 0,4-4 м. Например, величина указанного диаметра может находиться в диапазоне 0,5-3 м. Диаметр также может быть больше 4 м. Например, диаметр гребного винта может достигать 6 м. В некоторых случаях гребные винты, используемые для раскалывания льда (разрушения льда, дробления льда), могут предположительно достигать в диаметре даже 10 м или более, при этом движители в соответствии с данным изобретением предположительно могут иметь такие большие гребные винты.
Движитель 1 может представлять собой азимутальное подруливающее устройство с собственным электрическим двигателем, или может быть азимутальным подруливающим устройством с приводом через трансмиссию от дизельного двигателя, расположенного в корпусе судна, или от дизель-электрического мотором. Указанная трансмиссия может представлять собой L-образный привод или Z-образный привод.
Как вариант, указанные выступы 5 могут быть втяжными. Когда морское судно 2 используется в ситуациях, в которых отсутствует необходимость в разламывании льда, то выступы 5 могут быть втянуты. При возникновении необходимости в разламывании льда выступы 5 могут быть снова выдвинуты.
Во всех вариантах выполнения данного изобретения втулка 4, выполненная в виде режущего элемента, может быть выполнена с возможностью съема части втулки 4. Указанная съемная часть втулки 4 может представлять собой ту часть втулки 4, которая выполнена в виде режущего элемента, выполненного с обеспечением разламывания льда. Если втулка 4 содержит съемную часть, то преимуществом такого решения является то, что сломанную втулку 4, которая не может больше разламывать лед, легко починить путем замены указанной съемной части. Съемная часть втулки 4 может представлять собой наконечник, установленный на основную часть втулки. Указанный наконечник можно считать частью втулки 4. Во многих предпочтительных вариантах выполнения втулка 4 будет содержать наконечник, и именно наконечник будет той частью втулки, которая первая соударяется со льдом.
Лопасти гребного винта 3 могут иметь изменяемый шаг. Кроме того движитель 1 может быть выполнен с обеспечением изменяемой скорости вращения гребного винта 3.