ГРЕБНОЙ ВИНТ
PROPELLER SCREW

Изобретение относится к области судостроения, в части гребных винтов со сниженными уровнями вибрации и излучаемого шума, например, гребных винтов (ГВ) со средствами вибродемпфирования. Изобретение может быть использовано для создания малошумного движителя, включающего ГВ составной конструкции.
Теоретические и практические исследования показывают, что вызванные действием нагрузок со стороны набегающего потока колебания лопастей ГВ на собственных частотах являются в диапазоне средних частот доминирующим источником переменного звукового давления в водной среде, окружающей винт. При снижении интенсивности резонансных колебаний лопастей снижается и звукоизлучение винта. Одним из способов снижения уровней резонансных колебаний конструкции, в том числе лопасти гребного винта, является демпфирование, принцип действия которого состоит в преобразовании колебательной энергии в тепловую.
В настоящее время существуют гребные винты с лопастями из специальных сплавов высокого демпфирования или неметаллических материалов с повышенным коэффициентом механических потерь. Основной особенностью сплавов является зависимость их вибропоглощающих свойств (коэффициента потерь) от амплитуды напряжений - чем выше напряжение, тем больше коэффициент потерь. При вибрации лопасти, вызываемой набегающим потоком, амплитуды напряжений малы, и коэффициент потерь конструкции из сплава не превышает величины конструкционных потерь структуры из штатного материала. Как показала практика, винт из медно-марганцевого сплава позволил снизить звукоизлучение винта только при больших скоростях вращения на высоких частотах, когда на кромках лопастей наблюдалась кавитация и амплитуды напряжений росли. Еще один недостаток медно-марганцевых сплавов - уменьшение демпфирующей способности спустя определенное время. ГВ, изготовленные из неметаллических материалов, также еще не обладают достаточно высокими потерями.
Известно техническое решение «Гребной винт» (патент на изобретение РФ №2387572), на поверхностях лопастей которого выполнены канавки, заполненные вибропоглощающим материалом (ВПМ). Недостатками данного технического решения являются снижение прочности лопастей и эксплуатационной надежности ГВ за счет размещения ВПМ в вырезах в профилированной части лопастей.
Наиболее близким по технической сущности аналогом предлагаемого изобретения - его прототипом является патент 2149798 «Судовой движитель», при котором с целью уменьшения уровней вибрации и излучаемого ГВ шума заподлицо с обтекаемой поверхностью лопасти размещены вкладыши, каждый из которых выполнен из прикрепленной механически к лопасти вставки. Вставки размещены вдоль выходящей кромки лопасти, между контактными поверхностями каждой из вставок и лопасти помещена пленочная прокладка из ВПМ. Пленочная прокладка размещается также между комлем лопасти и ступицей ГВ составной конструкции.
Недостатком данного технического решения является снижение прочности и эксплуатационной надежности лопасти за счет вставок, расположенных вдоль кромки лопасти. Другим недостатком данного технического решения является недостаточная эффективность применения ВПМ между комлем лопасти и ступицы, т.к. снижение уровней вибрации лопастей и излучаемого при работе винта шума оказывается незначительным.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение уровней вибрации лопастей и излучаемого шума при работе движителя при условии сохранения прочности и эксплуатационной надежности наружной части лопасти и ГВ в целом.
Задача решается за счет того, что гребной винт, содержащий ступицу, лопасти и прокладку из вибродемпфирующего материала между ними, отличающийся тем, что лопасти имеют внутреннюю полость, заполненную вибропоглощающим материалом, причем ширина полости и толщина заполняющего лопасть вибропоглощающего материала не превышают 5 мм.
А также комель для крепления лопасти к ступице состоит из двух частей со слоем вибропоглощающего материала между ними.
А также каждая из частей комля крепится к одной из плоскостей лопасти, например, с помощью сварки, а слой вибропоглощающего материала между частями комля совмещается со слоем вибропоглощающего материала в полости лопасти.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид лопасти (1) с внутренней полостью (2) и комлем (3), состоящим из двух частей.
На фиг. 2 представлено сечение А-А, показывающее внутреннюю полость (2), заполненную вибропоглощающим материалом (4). Ширина полости (2) и толщина заполняющего лопасть (1) вибропоглощающего материала (4) не превышают 5 мм. По мере приближения к кромкам лопасти (1) ширина полости (2) и толщина слоя вибропоглощающего материала (4) уменьшаются.
На фиг. 3 представлен вид В, показывающий комель (3) со стороны крепления к ступице (на фиг. 3 не показана), состоящий из двух частей, разделенных слоем вибропоглощающего материала, толщиной, также не превышающей 5 мм.
Во время работы гребного винта поток воды, набегающий на лопасти, вызывает их колебания. Одним из способов снижения уровней колебаний является поглощение колебательной энергии. В предлагаемом изобретении высокое поглощение колебательной энергии достигается за счет:
1. Полой заполненной вибропоглощающим материалом лопасти, т.е. формирования слоистой конструкции, в среднем вибропоглощающем слое которой при изгибных и крутильных колебаниях возникают достаточно интенсивные сдвиговые деформации, т.е. в слое возникает вязкое трение, и энергия колебаний переходит в тепловую;
2. Формирования составной конструкции комля и совмещения слоя вибропоглощающего материала между частями комля со слоем вибропоглощающего материала в полости лопасти, что обеспечивает максимальные деформации сдвига в слое вибропоглотителя и высокое поглощение колебательной энергии лопасти.
Создание полой лопасти, заполненной вибропоглощающим материалом, и составной конструкции комля не приводит к снижению прочности и эксплуатационных характеристик лопасти и гребного винта в целом.
Выполненные на основе метода конечных элементов расчетные оценки уровней виброускорений на первых собственных частотах цельнометаллической лопасти и полых лопастей, заполненных разными вибропоглощающими материалами, показали, что даже при использовании достаточно жесткого вибропоглощающего материала предлагаемое техническое решение позволяет снизить уровни вибрации более чем на 15 дБ. Повышенное поглощение колебательной энергии на резонансных частотах достигается благодаря формированию слоистой конструкции лопасти путем изготовления полой лопасти, заполнения ее внутренней полости вибропоглощающим материалом, а также составной конструкции комля, не приводящей к шунтированию сдвиговых деформаций в слое вибропоглощающего материала внутри лопасти.
Кроме расчетной оценки были проведены экспериментальные исследования (фиг. 4), при которых измерялись коэффициенты потерь макета цельнометаллической лопасти (кривая 1) и макета лопасти с внутренней полостью, заполненной вибропоглощающим материалом (кривая 2). Сравнение показало: коэффициенты потерь макета демпфированной лопасти в 15-20 раз выше коэффициентов потерь макета штатной конструкции во всем диапазоне частот, начиная с 300 Гц.
Таким образом, за счет того что предлагаемое техническое решение позволяет сформировать единую трехслойную (слоистую) конструкцию лопасти и комля, достигается максимальное снижение уровней вибрации на резонансных частотах, а отсутствие на лопасти механически закрепленных накладок обеспечивает прочность и эксплуатационную надежность гребного винта, что выгодно отличает его от прототипа.