HOLLOW BLADE OF MARINE SCREW PROPELLER
ПУСТОТЕЛАЯ ЛОПАСТЬ СУДОВОГО ГРЕБНОГО ВИНТА

Изобретение относится к области судостроения, а именно к конструкциям лопастей судовых гребных винтов, и может быть применено при конструировании гребных винтов, рабочих колес водометных движителей и т.д.
Высокие требования к уровням вибрации и шума на судах с целью улучшения обитаемости, например на круизных судах, и повышения надежности функционирования разнообразной аппаратуры, включая гидроакустическую, например, на рыбопромысловых и исследовательских судах, а также на кораблях и подводных лодках ВМФ, привело к разработке различных приемов снижения шумоизлучения гребных винтов. Одним из приемов снижения шумоизлучения гребных винтов является снижение частоты их вращения, что влечет за собой возрастание диаметра винтов (например, на круизных лайнерах до 8 м и более). Последнее обстоятельство требует уменьшения веса винта для снижения возрастающих нагрузок на валопровод, которые усугубляются их нестационарностью. Одним из направлений уменьшения веса гребных винтов является применение конструкции полых лопастей, которые обеспечивают, наряду с уменьшением веса гребных винтов, снижение вибрации лопастей с передачей усилий через ступицу и валопровод на конструкции корпуса.
Однако выполнение полой конструкции лопастей гребных винтов не в полной мере исключает вибрации выходящей кромки лопастей под влиянием сходящих с кромки лопастей вихрей - кромочного шума (Ю.Л.Левковский «Шум гребных винтов», ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, СПб., 2005 г.).
Известна конструкция лопасти по патенту №2117603, которая содержит входящую и выходящую кромки, имеет профилированную форму поперечного сечения, в которой центр масс и ось жесткости профилей сечений смещены к оси гидродинамических фокусов профилей сечений до исключения автоколебаний, что достигнуто установкой в передней части лопасти утяжеляющих вставок или выполнением задней части лопасти с полостями. Такие лопасти не позволяют достигнуть необходимого снижения шума, а также и веса гребных винтов.
Известна конструкция пустотелой лопасти судового гребного винта (US 302884, 11.07.68, №9539/68, Швеция, B63h 1/14), включающая переднюю и заднюю стенки, соединенные между собой по кромкам и образующие, соответственно, нагнетающую и всасывающую винтовые поверхности, выполненная из отдельных секций со стыками по горизонтальным плоскостям, имеющая внутренний силовой набор (горизонтальные и вертикальные ребра жесткости).
Однако в указанной конструкции лопасти гребного винта предусмотрено наличие симметричного контура лопасти, предназначенного только для снижения веса конструкции лопасти, при котором не предусмотрено обеспечение задачи снижения уровня вибрации и шума, где источником является работающий гребной винт в условиях работы с заданной неоднородностью поля скоростей от набегающего потока, и не обеспечивается уменьшение кромочного шума лопастей, возникающего из-за вибрации кромок лопастей при работе гребного винта. Пустотелая лопасть гребного винта по патенту Швеции №302884, (бюл. №15, опубл. 28.04.1971 г.) принята в качестве наиболее близкого аналога.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение вибрации и кромочного шума лопасти при работе гребного винта, минимизация излучения с дискретным спектром при сниженном весе лопасти и высоких прочностных характеристиках.
Задача решена тем, что в пустотелой лопасти, включающей вершину, корневую часть, стенки входящей и выходящей кромок, соединенных между собой обшивкой и образующих, соответственно, нагнетающую и всасывающую винтовые поверхности и контур лопасти, а также внутренний силовой набор, согласно изобретению пустотелая лопасть выполнена литосварной, ее контур имеет саблевидную форму, а внутренний силовой набор выполнен в виде силовой продольной балки и поперечных силовых элементов. При этом силовая продольная балка установлена в полости пустотелой лопасти, радиально по ее длине, по линии контура, совпадающей с наибольшими толщинами профилей сечений лопасти, и приварена одним концом к вершине лопасти, а другим концом к корневой ее части. А поперечные силовые элементы расположены по цилиндрическим образующим, их концы приварены к стенкам входящей и выходящей кромок, соответственно, а в средней части - к силовой продольной балке. На участке лопасти, начинающемся от величины размаха лопасти, соответствующей 0,50 радиуса гребного винта до корневой части лопасти, масса входящей кромки максимально увеличена, а масса выходящей кромки минимально уменьшена.
Кроме того, внутренние пустоты лопасти заполнены композитным вибродемпфирующим гранулированным материалом с малым удельным весом.
Кроме того, корневая часть лопасти выполнена с возможностью крепления к ступице гребного винта посредством механического крепления через вибродемпфирующие прокладки.
Кроме того, массив лопасти по всему контуру выполнен из отдельных радиальных секций, стыкуемых по линиям раздела.
Кроме того, обшивка секций последовательно от корня лопасти до вершины имеет различную толщину, уменьшающуюся в направлении вершины лопасти и к входящей и выходящей кромкам.
Выполнение пустотелой лопасти, контур которой имеет саблевидную форму (степень саблевидности - θ), суть и эффективность которой заключается в отличии формы лопасти от симметричной, а также от распределения саблевидности вдоль радиуса винта по размаху лопасти, оказывающейся своей для каждой картины заданной неоднородности поля скоростей, обеспечивает получение повышенных пропульсивных качеств гребного винта с одновременной минимизацией уровней докавитационного низкочастотного акустического излучения гребного винта, вызванного обтеканием лопастей в неоднородном поле скоростей с дискретным спектром. Материалом лопасти может служить бронзовый сплав, сталь, титановый сплав, любые разновидности материала, используемого для изготовления гребных винтов.
Для сохранения прочностных характеристик геометрическая форма пустотелой лопасти судового гребного винта с саблевидным контуром обеспечена конструкцией, состоящей из обшивки и набора, имеющих лито-сварную конструкцию, где главный силовой элемент набора представлен мощной продольной балкой, проходящей радиально по всему размаху лопасти, совпадая с трассировкой контура наибольших толщин профилей сечений лопасти, соединяя ее вершину с корневой частью, и поперечными силовыми элементами конструкции сечений лопасти, располагающимися в цилиндрических поверхностях и стыкуемыми с главным силовым элементом, идущими от стенок входящей передней до выходящей задней кромок лопасти, передавая местные нагрузки на продольный главный силовой элемент конструкции набора лопасти. В результате конструкцией обеспечивается опора обшивке и геометрическая форма лопасти, а во взаимодействии обшивки и набора воспринимаются все виды нагрузок: продольные, изгибные и крутящие, действующие на лопасть при вращении гребного винта.
Формой пустотелой лопасти судового гребного винта, закрепленной в его конструкции при саблевидном контуре лопасти, обеспечиваются все прочностные параметры с выдерживанием всех гидродинамических нагрузок (в том числе и реверсивных), в которой заложена геометрия лопастей, выбранная из условия работы гребного винта в набегающем потоке при заданной неоднородности поля скоростей, и, одновременно, с сохранением повышенных пропульсивных качеств гребного винта, при этом также обеспечивается снижение уровней докавитационного акустического излучения гребного винта, вызванного обтеканием лопастей в неоднородном поле скоростей с дискретным спектром.
3
Для снижения вибрации и кромочного шума лопастей, а также и их веса образовавшиеся между обшивкой и внутренним набором внутренние свободные полости лопастей заполнены композитным вибродемпфирующим гранулированным материалом с малым удельным весом (0,5-0,8 т/м), который после заполнения внутреннего пустотелого объема лопасти саморасширяется и способствует снижению веса гребного винта в целом. Применительно к современным гребным малошумным винтам сборной конструкции с саблевидными лопастями пустотелая часть объема лопасти может составить ориентировочно около 30% объема тела лопасти (если принять условно-среднюю толщину обшивки, формирующей засасывающую и нагнетающую стороны профиля лопасти, около 25 мм).
Заявленная конструкция пустотелой лопасти судового гребного винта позволяет существенно снизить уровни вибрации и шума, обусловленного гидроупругими колебаниями лопастей, вращающихся в набегающем потоке при их малом весе и высоких прочностных характеристиках.
Изобретение пояснено чертежами на которых:
на фиг.1 - общий вид лопасти со стороны нагнетающей части при снятом фрагменте обшивки;
на фиг.2 - разрез по А-А с фиг.1 вдоль размаха лопасти;
на фиг.3 - сечение лопасти по Б-Б с фиг.1.
Лопасть включает корневую часть 1, выполненную литой, предназначенную для крепления к ступице, с приваренными к ней литыми передней стенкой 2 входящей кромки и задней стенкой 3 выходящей кромки, которые, в свою очередь, приварены к цельнолитой части вершины - концевой части (законцовки) 4 лопасти, образуя контур лопасти. Стенка 2 входящей кромки и стенка 3 выходящей кромки соединены между собой по кромкам обшивкой 5, образуя всасывающую и нагнетающую винтовые поверхности лопасти (фиг.1, 2) и контур саблевидной формы (степень саблевидности - θ).
Форма пустотелой лопасти с выбранной саблевидностью закреплена снаружи обшивкой 5 и изнутри силовым набором, образующими литосварную конструкцию, где главным силовым элементом набора является мощная продольная балка 6, которая, проходя радиально по всему размаху лопасти (по длине), лежит на линии трассировки контура наибольших толщин профилей сечений лопасти и соединяет вершину 4 лопасти с ее корневой частью 1 (фиг.1) при помощи сварки. Дополнительными элементами силового набора лопасти являются поперечные силовые элементы 7 сечений лопасти (фиг.1, 2), располагающиеся в цилиндрических поверхностях между стенкой 2 и стенкой 3 лопасти. Концы поперечных силовых элементов 7 приварены к стенкам 2 и 3, соответственно, входящей и выходящей кромок, а средние части силовых элементов 7 соединены с помощью сварки с главным силовым элементом - с продольной балкой 6, передавая ей местные нагрузки, работая вместе с главным силовым элементом конструкции набора, продольной балкой 6, заодно с обшивкой 5, определяющей собой внешнюю поверхность всасывающей и нагнетающей оболочек лопасти, работающей в среде набегающего потока. Металлической конструкцией лопасти образованы внутренние полости: полость 8, расположенная относительно продольной балки 6 в сторону стенки 2 входящей кромки, и полость 9, расположенная относительно продольной балки 6 в сторону стенки 3 выходящей кромки (фиг.1, 3).
Предлагаемой конструкцией силового набора обеспечивается опора обшивке и совокупно определяется геометрическая форма лопасти, при которой в едином взаимодействии обшивки и набора воспринимаются все виды нагрузок: продольные, изгибные и крутящие, действующие на лопасть при вращении гребного винта.
Положение поверхностей одной из сторон внутренних ребер жесткости - поперечных силовых элементов 7 - совпадает с поверхностями концентрических цилиндров, ось которых является осью гребного винта. Радиусы поверхностей концентрических цилиндров отличаются между собой на величину, равную примерно 0,10 части радиуса гребного винта R (около 200-300 мм) таким образом, что полученные для определения положения сечений лопасти теоретические линии концентрических поверхностей совпадают с окружностями, соответствующими положению относительных радиусов гребного винта, начиная от 0,30R; 0,40R; 0,50R; и т.д. до предельно допустимого рационального положения теоретических линий конструкции сечений лопасти (металлической матрицы), при которой полностью обеспечиваются все прочностные требования по лопасти. С целью достижения наибольшего приближения положения главного силового элемента продольной балки 6 к центру кручения (к оси гидродинамических фокусов профилей сечений) для обеспечения снижения значений гидродинамических скручивающих и изгибающих моментов матрица конструкции сформирована таким образом, чтобы масса стенки 2 входящей кромки была максимально увеличена, сопровождаясь соответствующим уменьшением объема прилегающей внутренней полости 8, а масса стенки 3 выходящей кромки по возможности уменьшена, сопровождаясь соответствующим увеличением объема прилегающей внутренней полости 9. Подобное перераспределение материала входящей и выходящей кромок, начиная с района размаха лопасти, близкого к положению относительных радиусов гребного винта 0,50…0,60R, обеспечивается вплоть до начала области формирования верхней литой концевой части 4 (законцовки) лопасти.
3
Внутренние полости 8 и 9, располагающиеся относительно продольной балки 6 в стороны стенок 2 и 3, заполнены ячеистой сердцевиной, состоящей из композитного вибродемпфирующего материала с удельным весом 0,5-0,8 т/м (фиг.3).
По аналогии с гребными винтами сборной конструкции, имеющими цельнолитые лопасти в корневой части 1 пустотелой лопасти, предусмотрена возможность крепления ее к ступице гребного винта посредством механического крепления через вибродемпфирующие прокладки 10.
Корневая часть 1 с литыми стенками 2 и 3 входящей и выходящей кромок, приваренными к цельнолитой части вершины 4, и обшивка 5, а также элементы 6 и 7 силового набора (фиг.1, 2, 3) формируют весь комплекс целостной геометрической формы конструкции пустотелой лито-сварной лопасти, образуют своего рода металлическую матрицу. Металлическая матрица конструкции лопасти обеспечивает все подкрепленные расчетами прочностные параметры в области упругих деформаций, необходимые для выдерживания всех действующих эксплуатационных гидродинамических нагрузок, включая скручивающие и изгибающие моменты, которые могут возникнуть при работе гребного винта (в том числе при реверсе) в водной среде.
На основе выполненных ранее исследований применительно к прототипам (аналогам) настоящего изобретения следует, что при рационально выбранных конструктивных элементах набора и обшивки пустотелой лопасти, имеющей саблевидный контур, с обеспечением максимальной возможности приближения центра изгиба и кручения сечений лопасти к центру приложения гидродинамических сил, созданы условия для достижения уменьшения возникающих от гидродинамических нагрузок изгибно-крутильных колебаний динамически деформируемой лопасти, даже при наличии большой степени саблевидности лопастей (high skew), когда за счет формирования геометрии пустотелой лопасти металлической конструкцией, не отличающейся внешне от цельнолитой лопасти с выполнением всех требований, предъявляемых к гребным винтам по механической прочности, в том числе по эрозийной стойкости и ударопрочностным характеристикам, обеспечивается надежность и эксплуатационная долговечность пустотелых лопастей заявленной конструкции.
Для реализации лито-сварной конструкции лопасти с учетом величины реальных диаметров гребных винтов массив лопасти для удобства ее изготовления может разделяться на ряд отдельных секций -частей металлической матрицы лопасти, которые могут изготавливаться в виде отдельных отливок, а затем стыковаться в местах стыковочных граней - разделения секций, контур которых лежит на соответствующих поверхностях концентрических цилиндров сечений лопасти, определяющих места разделения лопасти на секции. В общем случае таких частей-секций лопасти, из которых при большом диаметре изготавливают целую лопасть, может быть от 3-х до 5, что находится в зависимости от диаметра гребного винта и размаха лопасти.
Для изготовления литых частей конструкции лопастей используют все современные технологии литья (точное литье под давлением, прессование полотен обшивки 5 оболочек и т.д.). Сборка секций лопасти производится на постелях, близких по конструкции судосборочному корпусному производству. После черновой сборки лопасти с заполнением внутренних полостей композитным материалом, в соответствии с принятой технологией винтового производства лопасти поступают сначала на первичную станочную обработку, а затем на сборку и окончательную чистовую доводку гребных винтов сборной конструкции. При этом эксплуатационные качества пустотелой лопасти гребного винта обеспечиваются (например, по эрозийным и ударопрочностным характеристикам) на уровне обычных судовых гребных винтов.
Обшивка 5 каждой секции лопасти последовательно в направлении от корня до вершины выполнена из материала различной толщины. Передняя и задняя стенки секции выполнены из нескольких листов различной толщины, соединенных сваркой, меняющейся от корня лопасти до ее вершины, начиная с большей толщины до меньшей, и с разной толщиной листов, симметрично уменьшающихся к кромкам входящей и выходящей (задней) стенки - выходящей кромки лопасти по обеим сторонам от главного силового элемента 6 набора лопасти.
При работе пустотелой лопасти как элемента движителя с оптимально выбранной саблевидностью в заданном неоднородном поле скоростей, обеспечивается постепенный вход лопасти в зону подторможенности или ускоренности потока, за счет чего элементарные нестационарные силы, возникающие на различных участках лопасти, достигают своего максимума в различные моменты времени, и поэтому амплитуда результирующей нестационарной силы на каждой лопасти, а значит и гребном винте в целом, уменьшается, а время действия силы увеличивается, что приводит к уменьшению спектральных уровней сил и минимизации излучения гребного винта с дискретным спектром.
Наибольшие амплитуды вибрации наблюдаются вдоль выходящих кромок лопасти, т.е. на участках, где имеется минимальная толщина, а значит и минимальное механическое сопротивление по отношению к поперечным усилиям. Поэтому заполнение внутренних полостей пустотелого гребного винта композитным материалом приводит к преобразованию энергии изгибных колебаний участков лопастей в тепловую энергию, связанную со сдвигом внутри массива вибродемпфирующего материала. Размещение композитного вибродемпфирующего материала в зоне максимальных вибраций позволяет уменьшить вибрации не только концевых кромок лопасти, но и всех лопастей гребного винта в целом. В итоге уменьшается составляющая звукового излучения, обычно называемая кромочным шумом, усиленная гидроупругими колебаниями выходящей кромки лопасти.
По сравнению с известными конструкциями лопастей гребного винта, предлагавшимися для уменьшения кромочного шума и снижения вибрации лопастей, данная конструкция с использованием наполнения внутренних пустотелых объемов лопасти композиционным материалом приведет к большему увеличению потерь колебательной энергии и вибрации лопасти, а следовательно, и обусловленного этим звукоизлучения, нежели на гребных винтах сборной конструкции, имеющих цельнолитые лопасти, за счет увеличения площади поверхности, на которой происходит диссипация колебательной энергии. Экспериментальные оценки показали, что уровни вибрации и шума гребных винтов на судах, где основные источники шума гребного винта, рабочего колеса водомета и т.д. обусловлены кромочным шумом и гидроупругими колебаниями их лопастей, могут быть снижены более чем на 8-10 дБ.
Предложенная конструкция пустотелой лопасти судового гребного винта позволяет снизить вибрацию и шум, возникающие при работе гребного винта и других лопастных механизмов с вращающимися или с неподвижными лопастями, обтекаемых потоком (рабочих колес, статоров осевых насосов, турбин и т.д.) при высоких прочностных характеристиках и сниженном весе.