МАЛОШУМНЫЙ ГРЕБНОЙ ВИНТ
LOW NOISE SCREW PROPELLER

Изобретение относится к области судостроения в части гребных винтов (ГВ) с уменьшенными уровнями излучаемого шума. Изобретение может быть использовано для создания малошумного ГВ, включающего резонансные демпфирующие устройства (РДУ). Изобретение может быть использовано также для снижения вибрации и шума, возникающих при работе других типов лопастных механизмов, например, рабочих колес турбин, осевых насосов, водометных движителей и т.д.
В результате многочисленных измерений и экспериментов установлено, что ГВ, колеблющийся под действием динамических нагрузок со стороны натекающего потока, является одним из основных источников шума в помещениях судна и окружающей водной среде. Звукоизлучение ГВ снижается при снижении интенсивности резонансных колебаний, что достигается вибродемпфированием (вибропоглощением, демпфированием) ГВ, направленным на преобразование энергии колебаний в тепловую энергию.
Известны ГВ, изготовленные полностью или частично из специальных демпфирующих сплавов или неметаллических материалов с более высокими, чем у металлов, коэффициентами потерь (КП). Однако КП конструкции из сплавов имеют высокие значения только при значительных уровнях вибрации (деформациях и напряжениях) конструкции. При относительно малых уровнях, которые обычно имеют место на практике, преимущество демпфирующих сплавов над металлами, из которых обычно изготавливаются ГВ, отсутствует или несущественно. ГВ из неметаллических материалов имеют существенные недостатки, особенно в части ударостойкости.
Известны предложения по ГВ с вибродемпфирующими материалами (ВДМ), нанесенными в канавки на наружной поверхности лопасти (патент на изобретение РФ №2387572, Опубликовано: 27.04.2010 Бюл. №12) и со вставками, прикрепленными механически к лопасти заподлицо с обтекаемой поверхностью, причем между контактными поверхностями каждой из вставок и лопасти помещена пленочная прокладка из ВДМ (патент на изобретение РФ №2149798, Опубликовано: 27.05.2000 Бюл. №15). Основными недостатками размещения ВДМ в профилированной части лопастей является снижение прочности и эксплуатационной надежности ГВ. Пленочная прокладка из ВДМ может размещаться также между комлем лопасти и ступицей ГВ составной конструкции (ГВСК) (патент на изобретение РФ №2149798), однако эффективность этого мероприятия сравнительно мала.
Перечисленные технические решения направлены на демпфирование колебаний ГВ в широком диапазоне частот, тогда как повышенное звукоизлучение имеет место в основном на резонансных частотах ГВ. Повышенной эффективностью, но в сравнительно узком диапазоне частот, обладают резонансные демпфирующие устройства (РДУ). Предложено интегрировать в тело лопасти, в области больших амплитуд колебаний (в пучностях форм колебаний лопасти), РДУ в виде массы, связанной с лопастью слоем вязко-упругого материала, который выполняет функцию упругого элемента с потерями, настроенного на резонансные частоты лопасти (UK Patent Application GB 2305220 A, Опубликовано 02.04.1997 г.).
Известен судовой движитель (по патенту на изобретение РФ №2640910, Опубликовано: 12.01.2018 Бюл. №2), где предложен ГВ (судовой движитель) составной конструкции, у которого комель лопасти на продолжении наружной профилированной части лопасти расположен в ступице и удлинен с целью размещения средств вибродемпфирования, в том числе РДУ, настроенных на резонансные частоты ГВ с РДУ на валу в воде. Такое техническое решение является наиболее близким к заявляемому, но его внедрению препятствует отсутствие опыта проектирования и изготовления ГВ нетрадиционной конструкции.
Задача изобретения заключается в снижении шума в помещениях судна и окружающей водной среде, обусловленного работой ГВ широко распространенной конструкции - цельнолитого ГВ или ГВСК, лопасти которого закрепляются на наружной поверхности ступицы.
Техническим результатом является снижение вибрации и звукоизлучения ГВ на резонансных частотах. Дополнительным результатом, при условии заполнения водонепроницаемого объема в ступице и кормовом обтекателе воздухом, является снижение вибрации и шума, связанных с дисбалансом вращающейся изогнутой линии вала.
Для решения этой задачи и достижения технического результата малошумный ГВ, включающий РДУ, по изобретению, ступица ГВ удлинена в корму от конца гребного вала, лопасти закрепляются на наружной поверхности участка ступицы, образованного в результате удлинения, а на внутренней поверхности этого участка, в полости ступицы, размещается комплект РДУ.
Каждое РДУ из комплекта имеет низшую резонансную частоту изгибных колебаний, совпадающую с точностью на менее 3% с одной из резонансных частот ГВ, установленного на вал и погруженного в воду, и коэффициент потерь в пределах 0,8…1,2 от оптимального - обеспечивающего максимальное снижение колебаний ГВ на этой частоте.
Поперечные сечения РДУ являются осесимметричными, например круглыми, и уменьшаются в направлении к оси ГВ.
РДУ состоят из не менее чем двух соосных металлических дисков или цилиндрических труб и слоев ВДМ между ними.
РДУ состоят из разделенных свободными зазорами слоистых пластин, включающих слои металла и ВДМ между ними.
РДУ расположены по окружности ступицы равномерно, и на каждую лопасть приходится одинаковый набор РДУ.
В РДУ применяется тот же металл, из которого изготовлен ГВ.
Свободные от РДУ поверхности ступицы и кормовой обтекатель облицованы вибродемпфирующим покрытием.
Объем, в котором находятся РДУ, формируемый ступицей и кормовым обтекателем, является водонепроницаемым и заполнен воздухом.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан ГВ (а, б - аксонометрия, в - вид с кормы, г - продольный разрез), ступица (1) которого удлинена в корму от конца гребного вала (2), лопасти (3) закреплены на наружной поверхности участка ступицы, образованного в результате удлинения, а на внутренней поверхности этого участка, в полости ступицы, размещается комплект РДУ (4). РДУ показаны условно в виде конусов одинаковых размеров, т.е. настроенных на одну резонансную частоту ГВ, расположенных по окружности ступицы равномерно. Кормовой обтекатель (5) показан только на фиг. 1а, а гребной вал (2) - только на фиг. 1г.
На фиг. 2 (а - аксонометрия, б - вид сбоку, в - продольный разрез) показано РДУ из четырех соосных металлических дисков (6) и слоев ВДМ между ними (7), имеющих разные диаметры, установленных на одной стержневой опоре (8).
На фиг. 3 (а - аксонометрия, б - вид сбоку, в - продольный разрез) показано РДУ из двух соосных цилиндрических труб (9), имеющих разные диаметры и высоту, и слоев ВДМ между ними (10), установленных на одной стержневой опоре (11).
На фиг. 4 (а - аксонометрия, б - вид сбоку, в - продольный разрез) показано РДУ из шести разделенных зазорами слоистых металлических дисков (12), включающих слои ВДМ (13), имеющих разные диаметры, установленных на одной стержневой опоре (14).
Показанные на фиг. 1-4 варианты предлагаемого ГВ и РДУ являются примерами и не охватывают все возможные варианты.
Максимальная эффективность РДУ достигается при совпадении низшей резонансной частоты изгибных колебаний РДУ с резонансной частотой механической системы, включающей ГВ с РДУ на валу в воде и при условии, что КП РДУ оптимален, т.е. обеспечивает максимальное снижение колебаний ГВ на этой частоте. Точное совпадение указанных частот и обеспечение оптимального коэффициента потерь практически недостижимо. Исследования показали, что достаточно высокая эффективность РДУ достигается, если резонансные частоты совпадают с точностью не менее 3%, а коэффициент потерь находится в пределах 0,8-1,2 от оптимального.
РДУ имеют осесимметричное поперечное сечение, например круглое, чтобы избежать неопределенности при настройке резонансных частот РДУ, которая возникает при несимметричном поперечном сечении РДУ и появлении, вследствие этого, колебаний с близкими формами на разных частотах, отличающихся, например, фазами и направлением поперечных смещений. С целью повышения эффективности комплекта РДУ путем повышения его массы можно повышать плотность размещения РДУ. Для повышения плотности размещения поперечные сечения РДУ уменьшаются в направлении к оси ГВ, т.е. РДУ имеют форму, подобную конической.
Оптимальную величину КП РДУ, от сравнительно низких до весьма высоких значений, можно подобрать, если формировать РДУ из слоев металла и ВДМ. Направление слоев может быть как продольным, так и поперечным. Например, РДУ может состоять из не менее чем двух соосных металлических дисков или цилиндрических труб и слоев вибропоглощающего материала между ними или из разделенных свободными зазорами слоистых пластин, включающих слои металла и вибропоглощающего материала между ними. Форма РДУ, подобная конической, формируется, например, за счет применения дисков или цилиндрических труб, диаметр которых последовательно уменьшается от внутренней поверхности ступицы к оси ГВ.
РДУ располагаются по окружности ступицы равномерно, и на каждую лопасть приходится одинаковый набор РДУ, для того чтобы балансировка ГВ не была нарушена.
В РДУ применяется тот же металл, из которого изготовлен ГВ, для недопущения электрохимической коррозии.
Свободные от РДУ кормовой обтекатель и поверхности ступицы облицованы вибродемпфирующим покрытием для снижения вибрации и звукоизлучения ГВ на резонансных частотах, отличных от тех, на которые настроены РДУ.
Внутренний объем ступицы и кормового обтекателя заполнен воздухом для компенсации веса РДУ и снижения веса ГВ в воде, а также для упрощения действий по точной настройке резонансных частот РДУ после их установки. Поскольку под действием веса ГВ линия вала изгибается, появляются дополнительные нагрузки на опорные подшипники, вызывающие их неравномерный износ, вибрации и шум, то снижение веса ГВ в воде способствует выравниванию линии вала и снижению указанных негативных последствий его изгиба.
Работа ГВ предлагаемой конструкции, как и любого лопастного механизма, сопровождается воздействием на ГВ гидродинамических усилий, возбуждающих в нем колебания с последующим звукоизлучением. Снижение колебаний и звукоизлучения ГВ может достигаться поглощением энергии - преобразованием колебательной энергии в тепловую. При использовании заявляемого технического решения повышенное поглощение энергии при колебаниях ГВ обеспечивается за счет возбуждения интенсивных резонансных колебаний РДУ, расположенных в ступице, на резонансных частотах ГВ. Размещение РДУ в ступице обеспечивается специальной конструкцией ступицы, имеющей дополнительный объем для размещения РДУ, что не снижает прочность и эксплуатационную надежность ГВ.
Эффективность РДУ можно оценивать по разнице нескольких физических характеристик при отсутствии и наличии РДУ, например, механического сопротивления - отношения воздействующей силы к скорости вызванных силой колебаний в точке приложения силы, проводимости - отношения скорости к силе, ускоряемости - отношения ускорения к силе и других подобных характеристик, излучаемой звуковой мощности, коэффициентов потерь. На фиг. 5 представлены примеры экспериментальных спектров ускоряемости, полученных по измерениям на физической модели лопасти ГВ с имитатором ступицы в масштабе 1:3 в воде без РДУ (1) и с РДУ (2), состоящим из стальных дисков и промежуточных слоев ВДМ, а на фиг. 6 - примеры спектров излучаемой звуковой мощности, рассчитанных для этой же модели методом конечных элементов (МКЭ). Интервал между горизонтальными линиями на фиг. 5 и 6 - 10 дБ, Видно, что эффективность РДУ и по измерениям и по расчету составила около 20 дБ. Коэффициент потерь модели на резонансной частоте, на которую настроено РДУ, полученный по результатам измерений и расчета, увеличился примерно в 10 раз после применения РДУ.
Выбор конструктивных характеристик РДУ для модели лопасти и характеристик ВДМ с целью обеспечения примерного совпадения резонансных частот РДУ и модели и оптимального КП РДУ, а также вышеприведенные расчетные оценки выполнены авторами с применением численного моделирования и МКЭ. Таким же способом выполняется подбор характеристик РДУ для натурного ГВ.
Расчеты, выполняемые при проектировании с целью определения геометрии и характеристик материалов РДУ, всегда являются приближенными. Уточненная настройка резонансных частот РДУ на резонансные частоты механической системы, включающей ГВ с РДУ на валу в воде, после установки РДУ в ступице ГВ по штатному может выполняться путем изменения массы и/или жесткости РДУ, например, добавления, удаления дисков, замены дисков на диски другого размера или изменения величины свободного зазора между дисками.