ДВИЖИТЕЛЬ ВОДОМЕТНЫЙ
WATER-JET PROPELLER

Изобретение относится к области водного транспорта, в частности к водометным движителям, и может быть использовано на судах, преимущественно скоростных, в качестве главного движителя и средства активного управления как в одиночном исполнении, так и в составе комплекса.
На момент написания заявки известны следующие аналоги:
1. Авторское свидетельство №1586957
Наиболее близким аналогом следует считать устройство, описанное в Патенте США №6,045,418, содержащее водозаборник, крепящийся к корпусу судна, соединенный со спрямляющим аппаратом, в корпусе которого размещен опорно-упорный узел, состоящий из двух опорных (роликового однорядного и роликового двухрядного сферического) и одного однорядного роликового упорного подшипника. Смазка подшипникового узла осуществляется от внешнего масляного бака, размещаемого внутри корпуса судна, по каналам, расположенным в корпусе спрямляющего аппарата. Для обеспечения герметичности опорно-упорного узла применены:
- манжетные уплотнения, устанавливаемые между неподвижной частью спрямляющего аппарата и ступицей рабочего колеса, образующие между собой полость, связанную с атмосферой дренажным каналом;
- торцовое уплотнение, устанавливаемое между неподвижным корпусом водозаборника и подвижной ступицей рабочего колеса;
- кольцевые уплотнения, устанавливаемые: в полумуфте (обеспечивают уплотнение по гребному валу); в резьбовой муфте; на элементах торцового уплотнения.
Реверсивно-рулевое устройство выполнено в виде двух вертикально расположенных створок, установленных на корпусе спрямляющего аппарата, обеспечивающих как отклонение потока от оси движителя, так и реверс потока. Привод створок реверсивно-рулевого устройства осуществляется от гидроцилиндров, установленных в верхней части движителя и связанных между собой механически, с помощью поворотного рычага.
К существенным недостаткам такой конструкции можно отнести:
- высокие нагрузки, воздействующие на элементы опорно-упорного узла;.
- большое количество уплотнительных элементов, требующих периодического контроля и замены;
- размещение значительных объемов масла за транцем судна, что в случае повреждения движителя может привести к загрязнению окружающей среды;
- полное заполнение полости опорно-упорного узла смазочным маслом, что не только негативно сказывается на сроке службы подшипников, но и приводит к дополнительным потерям мощности из-за трения вращающихся частей (в частности, элементов упругой муфты, установленной непосредственно в полости опорно-упорного узла) о жидкость (смазочное масло);
- сложность механизма привода реверсивно-рулевого устройства, что усложняет систему управления движителем.
Задачами, на решение которых направленно предлагаемое техническое решение, является упрощение конструкции движителя, снижение нагрузок на подшипники, повышение надежности работы и снижение эксплуатационных затрат.
Техническими результатами, получаемыми при осуществлении изобретения, являются:
- упрощение конструкции подшипниковых узлов и снижение нагрузок, воспринимаемых подшипниками;
- снижение риска загрязнения окружающей среды за счет переноса упорного подшипника в носовую полость водозаборника и обеспечения герметичности его масляной ванны как при установленном гребном валу, так и без него;
- обеспечение нормальных режимов работы опорного подшипникового узла, исключение риска загрязнения окружающей среды и сокращение потерь на трение подвижных элементов о жидкость (смазочное масло) за счет размещения опорного подшипника в ступице спрямляющего аппарата и частичного заполнения полости подшипника густой (консистентной) смазкой;
- упрощение конструкции и механизмов управления реверсивно-рулевого устройства за счет снижения нагрузок на приводящие гидроцилиндры реверсивной заслонки.
Для достижения поставленных задач в предлагаемом водометном движителе, содержащем водозаборник, закрепляемый на корпусе судна, спрямляющий аппарат, гребной вал с рабочим колесом и реверсивно-рулевое устройство, применены следующие технические решения.
1 Опорный подшипник выполнен роликовым радиальным со съемным внутренним кольцом, причем наружное кольцо закреплено в ступице спрямляющего аппарата и фиксируется герметичной крышкой с манжетным уплотнением, работающим по распорной втулке, а внутреннее кольцо установлено на кормовом конце гребного вала, где граничит с распорной втулкой, которая в свою очередь уперта в ступицу рабочего колеса, а оно в упорный бурт гребного вала.
Наружный диаметр распорной втулки больше диаметра внутреннего кольца роликоподшипника, которое в свою очередь больше наружного диаметра концевой гайки, фиксирующей его на гребном валу.
Распорная втулка установлена на гребном валу с кольцевым уплотнением, что обеспечивает герметичность полости опорного подшипника. Смазка роликоподшипника осуществляется одноразовой закладкой необходимого объема консистентной смазки.
Такая конструкция кормовой опоры позволяет демонтировать гребной вал с рабочим колесом без нарушения центровки валовой линии.
2 Опорно-упорный подшипник гребного вала, установленный в корпусе масляной полости водозаборника совместно с маслораспределительным кольцом, фиксируется герметичной крышкой с манжетным уплотнением. Маслораспределительное кольцо снабжено форсунками, выполненными в виде профилированных каналов, коаксиально расположенных по окружности кольца в верхней его части. В нижней части кольцо имеет ряд радиальных отверстий, расположенных напротив выреза в корпусе масляной полости, соединенной с масляной полостью посредством каналов.
Внутреннее кольцо опорно-упорного подшипника установлено на шлицевой насадке совместно с маслонапорной крыльчаткой и зафиксировано гайкой.
Кормовая оконечность шлицевой насадки вместе с резиновыми манжетами и распорным кольцом, установленными в дейдвудной трубе водозаборника, образуют дейдвудное уплотнение, отделяющее масляную полость водозаборника от забортной воды. Носовая оконечность шлицевой насадки вместе с манжетой, установленной в крышке, образует уплотнение, отделяющее масляную полость от атмосферы.
Манжеты дейдвудного уплотнения, одна из которых обращена к водной среде, а другая к масляной полости, совместно с распорным кольцом, установленным между ними, образуют дренажную полость, соединенную каналом с атмосферой.
Насадка соединена с гребным валом шлицами, при этом кормовым торцом она уплотнена по гребному валу резиновым кольцом и уперта в упорный гребень гребного вала, а по носовому торцу зафиксирована гайкой.
Масляная полость разделена опорно-упорным подшипником на нагнетательную зону, в которой находится маслораспределительное кольцо и маслонапорная крыльчатка, и зону охлаждения. Зона охлаждения соединена с нагнетательной зоной посредством отверстий в нижней части корпуса масляной полости.
3 Реверсивно-рулевое устройство состоит из поворотного сопла с рулевой машинкой и реверсивной заслонки с приводящими гидроцилиндрами.
Поворотное сопло устанавливается в подшипниках на осях, закрепленных вертикально в корпусе движителя в районе реактивного сопла.
Реверсивная заслонка выполнена в виде сектора полого цилиндра, с горизонтальной осью, по торцам ограниченного боковыми стенками с окнами, соединенными с внутренней полостью заслонки каналами, не доходящими до плоскости симметрии реверсивной заслонки. Реверсивная заслонка крепится к двум кронштейнам подшипниками, установленными на осях, расположенных на корпусе движителя в районе спрямляющего аппарата. Кронштейны также снабжены подшипниками для присоединения тяг приводящих гидроцилиндров.
Приводящие гидроцилиндры, подключенные к кронштейнам через тяги, установлены таким образом, что их оси проходят ниже оси поворота заслонки, что позволяет существенно сократить нагрузки, воспринимаемые осями поворота заслонки. Это подтверждается расчетами, приведенными ниже.
Расчетные схемы для случая, когда оси приводящих гидроцилиндров проходят выше оси поворотной заслонки, и для случая, когда ниже, приведены на фиг.11 и фиг.12 соответственно.
1 Обозначения
Система координат X-Y - декартова система координат, расположенная таким образом, что ось абсцисс Х совпадает с осью движителя и направлена в нос, а ось ординат Y направлена вверх;
А - опора, совпадающая с осью поворота заслонки;
В - опора, совпадающая с точкой приложения усилия от приводящего гидроцилиндра;
A
R - реакция в опоре А
B
R - реакция в опоре В;
ax
R - проекция реакции в опоре А на ось X;
ay
R - проекция реакции в опоре А на ось Y;
Р - сила, действующая на реверсивную заслонку со стороны потока воды;
х
P - проекция силы Р на ось X;
у
Р - проекция силы Р на ось Y;
1
у
L - плечо силы Р, относительно опоры А;
2
х
L - плечо силы P, относительно опоры А;
3
B
L - плечо силы R;
2 Принятые допущения
х
у
1
2
3
Поток направлен строго по оси движителя, нагрузки между левым и правым приводящими гидроцилиндрами распределены равномерно, линия действия силы от приводящего гидроцилиндра параллельна оси водометного движителя, момент сопротивления от трения в подшипниках не учитывается. Величины Р, Р, Р, L, L и L одинаковы для обеих расчетных схем.
3 Определение реакций в опорах
3.1 Реакции в опорах, для расчетной схемы по фиг.11:
Сумма проекций сил на ось X:
Сумма проекций сил на ось Y:
Сумма моментов сил относительно опоры А:
ax
Из выражения (1) найдем R:
ay
Из выражения (2) найдем R:
B
Из выражения (3) найдем R:
3.2 Реакции в опорах, для расчетной схемы по фиг.12:
Сумма проекций сил на ось X:
Сумма проекций сил на ось Y:
Сумма моментов сил относительно опоры А:
ax
Из выражения (7) найдем R:
ay
Из выражения (8) найдем R:
B
Из выражения (9) найдем R:
3.3 Из сравнения выражений 4 и 10 видно, что проекция реакции в опоре А на ось Х в выражении 10 меньше на величину
при этом из сравнения выражений 5 и 11, а также 6 и 12 видно, что вне зависимости от схемы нагружения проекция реакции в опоре А на ось Y и реакция в опоре В (нагрузка на гидроцилиндр) остаются неизменными.
Следовательно, суммарная реакция в опоре А, определяемая по формуле
при переходе от схемы по фиг.11 к схеме по фиг.12 уменьшается.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез водометного движителя, на фиг.2 - опорный подшипник, на фиг.3 - опорно-упорный подшипник, на фиг.4 - разрез Б-Б, на фиг.5 - вид А, на фиг.6 - сопло поворотное, на фиг.7 - ось поворота реверсивной заслонки, на фиг.8 - соединение тяг с кронштейнами реверсивной заслонки, на фиг.9 и 10 - кинематические схемы привода реверсивной заслонки с расположением осей гидроцилиндра выше и ниже оси поворота заслонки соответственно, на фиг.11 и 12 - расчетные схемы для случая размещения осей приводящих гидроцилиндров выше и ниже оси поворота заслонки соответственно.
Водометный движитель содержит водозаборник 1 с установленной в нем защитной решеткой 2, рабочее колесо 3, установленное на гребном валу 4, спрямляющий аппарат 5 и реверсивно-рулевое устройство, содержащее поворотное сопло 6 и реверсивную заслонку 7.
Рабочее колесо 3 установлено на гребном валу 4 посредством шлицевого соединения со ступицей 8 (фиг.7) и центрирующего пояска Д в распор с гребнем Е. Ступица соединена с рабочим колесом болтами 9 и штифтами 10.
Гребной вал устанавливается на два подшипника качения, один из которых является опорным 11, а второй опорно-упорным 12 (фиг.1). Опорный подшипник размещается в корпусе спрямляющего аппарата и выполнен роликовым радиальным со съемным внутренним кольцом 13 (фиг.2). Наружное кольцо 14 подшипника в ступице спрямляющего аппарата фиксируется крышкой 15. Внутреннее кольцо 13 на кормовом конце гребного вала 4 вместе с распорной втулкой 16, ступицей 8 и рабочим колесом 3 фиксируется концевой гайкой 17.
Уплотнение полости опорного подшипника обеспечивается:
- уплотнительным элементом 18, например эластичной манжетой, установленной в крышке подшипника 15, кольцевым уплотнением 19, установленном на валу и кольцевым уплотнением 20, установленным между крышкой 15 и корпусом спрямляющего аппарата.
Опорно-упорный подшипник устанавливается в носовой части водометного движителя в корпус масляной полости Ж (фиг.3), выполненной заодно с водозаборником. Внутреннее кольцо опорно-упорного подшипника устанавливается на насадку 21 с упором в бурт И совместно с маслонапорной крыльчаткой 22 и фиксируется концевой гайкой 23. Наружное кольцо опорно-упорного подшипника устанавливается в корпус совместно с маслораспределительным кольцом 24, снабженным коаксиально расположенными форсунками К в верхней части и радиально расположенными отверстиями Л в нижней части и фиксируется крышкой 25, снабженной кольцевым уплотнительным элементом 26. Подшипник разделяет масляную полость на нагнетательную зону М и зону охлаждения Н, соединенные между собой отверстиями П, расположенными в нижней части корпуса масляной полости.
Для улучшения смазки подшипника и отвода тепла от него в масляной полости организована принудительная циркуляция масла, обеспечиваемая маслонапорной крыльчаткой 22.
Уплотнение масляной полости опорно-упорного подшипника обеспечивается:
- со стороны кормы - дейдвудным уплотнением, образованным двумя уплотняющими элементами 28 и 29 с установленным между ними распорным кольцом 99 (например, эластичными манжетными уплотнениями), установленными между насадкой 21 и дейдвудной трубой, один из которых обращен к водной среде, а другой к масляной полости. Распорное кольцо 99 имеет радиальные отверстия и дренажную полость Р, соединенную каналом с атмосферой и кольцевым уплотнением 30, установленным на гребном валу;
- со стороны носа - эластичным манжетным уплотнением 31, установленным в крышке подшипника 25.
Поворотное сопло реверсивно-рулевого устройства (фиг.6) сопрягается по сфере с реактивным соплом и закреплено на осях 32. Приводной рычаг 33, обеспечивающий изменение угла поворота сопла, закреплен на верхней оси.
Реверсивная заслонка 7 установлена на кронштейны 35, снабженные подшипниками 36, для соединения с приводными гидроцилиндрами 37 и 38, и подшипниками 39 для установки на оси 40, закрепленные в корпусе движителя в районе спрямляющего аппарата. Кронштейны соединены с гидроцилиндрами 37 и 38 тягами 41. Гидроцилиндры закреплены в фланце С водозаборника таким образом, что оси штоков проходят ниже осей 40.
Водометный движитель работает следующим образом.
Крутящий момент с гребного вала 4 через ступицу рабочего колеса 8 передается на рабочее колесо 3, передающее энергию приводного двигателя потоку воды.
Осевое усилие, возникающее от гидродинамического упора на лопастях рабочего колеса, передается через упорные гребни Е, И и У на насадку 21, опорно-упорный подшипник и через крышку 25 на корпус судна.
Принудительная циркуляция масла в масляной полости Ж осуществляется следующим образом: маслонапорная крыльчатка 22, вращаясь, засасывает масло из зоны охлаждения Н и подает в нагнетательную зону М к форсункам К, через которые масло впрыскивается в зону трения подшипника.
Реверсивно-рулевое устройство водометного движителя работает следующим образом: при работе движителя на передний ход реверсивная заслонка 7 выведена из потока, направление вектора тяги переднего хода Т1 (фиг.7) изменяется за счет отклонения поворотного сопла 6 от нейтрального положения.
При работе на задний ход реверсивная заслонка 7, закрепленная на кронштейнах 35, вводится в поток приводящими гидроцилиндрами 37 (фиг.5). При нейтральном положении поворотного сопла поток, создаваемый движителем, направляется под днище судна и обеспечивает тягу заднего хода Т2 (фиг.1). При отклонении поворотного сопла от нейтрального положения часть потока направляется через один из каналов реверсивной заслонки, обеспечивая боковую тягу Т3 (фиг.8), позволяющую осуществлять маневрирование на заднем ходу.
Изменение величины боковой тяги Т3 и тяги заднего хода Т2 достигается изменением угла отклонения поворотного сопла от нейтрального положения, а изменение величины тяги как на переднем Т1, так и на заднем ходу Т2 - изменением частоты вращения рабочего колеса.