СУДОВОЙ ГИБРИДНЫЙ РОТОРНЫЙ ВЕТРОДВИЖИТЕЛЬ С ПОВОРОТНЫМИ КАПЛЕВИДНЫМИ ЛОПАСТЯМИ
HYBRID ROTARY WIND PROPELLER FOR SHIPS WITH ROTARY DROP-SHAPE BLADES

Предлагаемое изобретение судового гибридного роторного ветродвижителя с поворотными каплевидными лопастями относиться к конструкции устройства вспомогательного судового парусного вооружения.
Задачей изобретения является создание нового высокоэффективного и безопасного судового ветродвижителя для увеличения скорости хода судна, экономии топлива и уменьшения объема выхлопных газов судовыми двигателями, а также для улучшения экологии морей и океанов.
Для этого предполагается обеспечить следующие исходные требования:
- использование энергии ветра для снижения расхода топлива при плавании судов;
- отсутствие энергопотребления от судовой сети для вращения ротора ветродвижителя;
- уменьшение вредных выбросов при работе судовых двигателей;
- полная безопасность использования ветродвижителей на судах;
- минимальный уровень обслуживания экипажем ветродвижительного комплекса;
- полная автоматизация всех процессов управления ветродвижительным комплексом;
- использование широкого диапазона ветровых нагрузок при движении судна;
- высокая надежность и дублирование всех важных систем управления ветродвижителем;
- энергоэффективность и экономичность использования ветродвижительного комплекса;
- выполнение классификационных требований и норм техники безопасности.
Для решения поставленной задачи и осуществления всех, выше перечисленных, требований автором предложена новая конструкция основных элементов роторного ветродвижителя на основе известных роторов Флеттнера и роторов Савониуса. Техническая новизна предлагаемого судового гибридного роторного ветродвижителя заключается в том, что в отличие от сплошной гладкой цилиндрической поверхности ротора Флеттнера в предлагаемом варианте ротор представляет собой открытую с торцов многоярусную конструкцию из стандартных каплеобразных поворотных лопастей. А цилиндрическая поверхность ротора образована многочисленными поворотными лопастями каплеобразного профиля с регулируемыми щелевыми зазорами между ними. При этом предлагаемому новому типа ротора не требуется, как для ротора Флеттнера, внешний судовой источник энергии и привод для его вращения. В предлагаемом варианте необходимый крутящий момент для вращения возникает, как на роторе Савониуса, за счет обтекания лопастей и ускорения воздушного потока в щелевидных соплах между ними. На ходу судна при достижении номинальной скорости вращения ротора избыток крутящего момента может быть генерирован и направлен в судовую электросеть, а при стоянке судна на якоре или в дрейфе может работать даже в режиме электрогенератора. Существенное отличие нового типа ротора заключается также в том, что для того же направления тяги, как у ротора Флеттнера, он будет иметь противоположное вращение. Постоянное направление тяги по курсу судна при смене направления ветра на противоположный борт обеспечивается поворотом всех лопастей под ветер, остановкой ротора и изменением направления его вращения. При кратковременном усилении ветра кренящий момент боковых сил вращающего ротора можно плавно уменьшить поворотом лопастей и изменением размера щелевых зазоров между ними, а при значительном усилении ветра за счет полного перекрытия щелевых зазоров между лопастями верхнего яруса ротора. При этом верхняя часть ветродвижителя будет создавать усилие в режиме вращающего ротора Флеттнера с восстанавливающим моментом, направленным в противоположную сторону от кренящего момента всех нижних ярусов ветродвижителя. В экстремальной штормовой ситуации многократно уменьшить ветровую нагрузку от ветродвижителя можно путем остановки вращения ротора и поворотом всех лопастей во флюгерный режим вдоль ветрового потока.
Конструктивно новый тип роторного ветродвижителя может иметь форму удлиненного цилиндра с прямоугольными лопастями либо усеченного конуса с трапецеидальными лопастями. Ветродвижители цилиндрической формы могут использоваться, преимущественно, на крупных транспортных морских судах, круизных судах, паромах, научно исследовательских и других судах, а конусной формы в основном на средних и малых судах. Принципиальная конструкция гибридного роторного многоярусного ветродвижителя конусного типа по конструкции аналогична ветродвижителю цилиндрического типа. Основное отличие - это форма и размеры деталей, образующие форму ротора в виде усеченного конуса. Главное достоинство ветродвижителей конусного типа - это возможность создания более широкого типоразмерного ряда, что важно для большого разнообразия судов малых размерений.
Возможный вариант расположения многоярусных ветродвижителей цилиндрического типа на верхней палубе судна для перевозки нефтеналивных грузов показан на фигуре 1.
Принципиальная конструкция гибридного роторного многоярусного ветродвижителя с поворотными каплеобразными лопастями изображена на продольном сечении фигуры 2. Основными элементами предлагаемого ветродвижителя является вращающаяся конусовидная вертикальная трубчатая мачта (6) из алюминиевого сплава, связанная фланцевым соединением (10) с трубчатым стальным баллером (11), который расположен в закрытой палубной тамбучине (16) с высокой опорной колонной (12). Баллер вращается в нижнем радиально-упорном (17) и верхнем радиальном подшипниках (20). В нижней части баллера имеется зубчатая пара (14) для передачи крутящего момента через реверс-редуктор (19) на электрогенератор (13). Внутри вращающейся мачты и баллера проходит стационарная навигационная мачта (4), механически закрепленная на палубе судна, с проходящими в ней кабелями сигнальных огней и навигационных приборов. На наружной поверхности вращающей мачты расположены несколько ярусов обтекаемых алюминиевых краспиц (7), соединенных с плоскими кольцевыми реями (2), изготовленных из легких композитных панелей. Между реями установлены с помощью осей (3) и подшипниковых втулок (5) одинаковые по размеру поворотные лопасти (8) из легких высокопрочных композитных материалов. Все оси нижних ярусов поворотных лопастей кроме верхнего яруса скреплены между собой. Под нижней концевой реей по оси вертикальной сцепки всех нижних лопастей установлены электрические приводы (9), обеспечивающие их поворот и установку в нужное положение по заданной программе автоматического управления. Над верхней реей установлены электрические приводы (1), осуществляющие поворот и установку в нужное положение лопастей только верхнего яруса. Ко всем приводам лопастей подведены индивидуальные управляющие электрические кабели через закрытый вращающийся контактный коллектор (15) на нижнем торце баллера. К важным узлам топа мачты ветродвижителя, требующим контроля и профилактического обслуживания, обеспечен безопасный подъем с помощью механизированного фалового устройства. Для фиксации вращения ротора под зубчатой парой баллера установлено дисковое тормозное устройство (18).
Функциональные преобразования ветродвижителя за счет поворота лопастей показаны на фигурах 3, 4 и 5. Расположение каплевидных лопастей ротора ветродвижителя при ходе судна правым галсом к вымпельному ветру показано на фигуре 3, а при ходе левым галсом на фигуре 4. Установка лопастей ротора ветродвижителя в режиме флюгера показана на фигуре 5. Из всех представленных фигур 1-5 видна общая идея предлагаемого гибридного роторного многоярусного ветродвижителя цилиндрической формы с поворотными каплевидными лопастями, его особенность и техническая новизна, но без подробной конкретизации многочисленных деталей и узлов, учитывая сложность конструкции.
Предложенная конструкция судовых гибридных роторных ветродвижителей обеспечивает выполнение всех исходных требований, а анализ возможности их использования на судах дает дополнительно следующие очевидные технические и эксплуатационные преимущества:
- простоту установки без изменений конструкции корпуса судна;
- обеспечивает быстрое автоматическое управление всеми режимами;
- улучшает управляемость судна на ходу;
- уменьшает амплитуду бортовой качки судна;
- обеспечивает быстрый сброс ветровой нагрузки;
- обеспечивает оборудование судов ветродвижителями максимальных размеров;
- обеспечивает аварийный ход судна при неработающем двигателе;
- может осуществлять поворот судна в режиме подруливающего устройства;
- обеспечивает работу в режиме ветрогенератора при стоянке на якоре или при дрейфе судна;
- защищает в закрытом палубном помещении все вращающие агрегаты и электрооборудование;
- обеспечивает защиту высоко расположенные легкие конструкции ротора в штормовых условиях;
- создает минимальный уровень шума при вращении ротора;
- обеспечивает установку на топе мачты ходовых огней и навигационных приборов;
- обеспечивает установку прожекторов освещения палуб на верхних частях колон тамбучин;
- обеспечивает доступ к важным узлам ветродвижителя на топе мачты;
- обеспечивает ремонтопригодность и возможность замены отдельных элементов;
- создает весь размерный ряд ветродвижителей типовыми деталями и узлами;
- способствует выполнению жестких требований по вредным судовым выбросам в атмосферу;
- обеспечивает высокий экспортный потенциал из-за отсутствия зарубежных аналогов и дает возможность использования предлагаемых высокоэффективных гибридных роторных ветродвижителей для различных типов судов.
Учитывая уникальность и универсальность нового типа ветродвижителя, предлагается дать ему наименование - судовой гибридный роторный ветродвижитель с поворотными каплеобразными лопастями.
Предполагается, что после разработки технической документации, изготовления опытных образцов ветродвижителей, систем управления и программного обеспечения, а также проведения необходимых испытаний и отработки технологического процесса их производства, будут сформулированы и поданы заявки на оформление международных патентов.
Предложенная конструкция судового гибридного роторного ветродвижителя с поворотными каплеобразными лопастями отличается высокой энергоэффективностью и может стать основой для создания современного производства новых видов судового оборудования, систем управления и передовых технологий, что обеспечит монопольный вывод на мировой рынок уникальной высоко конкурентной продукции, защищенной международными патентами.