УСТРОЙСТВО СУДОВОЕ ВОДОМЕТНОЕ

Разработанное решение относится к устройствам для движения судна по воде, в частности, к устройствам типа «водомет», у которых гребной винт заключен внутри полости, например, внутри трубы. Решение применимо в качестве основного движителя на маломерных судах или в качестве подруливающих устройств на крупных судах.
Из уровня развития техники известно [Папир А.Н. Водометные движители малых судов. - Л.: Судостроение, 1970, - 250 с. (рис.7в на стр.17)] решение, в котором вращательное движение от двигателя внутреннего сгорания передается на гребной винт (лопасти осевого насоса), установленный на гребном валу внутри всасывающего канала судна. Недостатком этого решения является ограниченные технологические возможности устройства, состоящие в том, что величина тяги в первую очередь определяется числом оборотов гребного винта и, соответственно, для необходимой величины тяги требуются высокооборотные двигатели внутреннего сгорания с большим крутящим моментом на гребном валу. Дизельные двигатели этого обеспечить не могут, карбюраторные двигатели могут это обеспечить лишь при малых диаметрах гребного винта, что ограничивает размеры и массу судна.
Наиболее близким к заявляемому объекту является решение [рис.18 на странице 27 работы Куликов С.В., Храмкин М.Ф. «Водометные двигатели», Л., Судостроение, 1970, - 251 с.], в котором движитель-двигатель содержит взаимодействующую с корпусом судна полый корпус (обечайку), внутри которого закреплен статор электродвигателя, состоящий из набора пластинчатых колец и обмоток. В статоре с зазором расположен вращающийся полый ротор электродвигателя. На внутренней поверхности ротора закреплены лопасти. С ротором соединены патрубки, заканчивающиеся чашеобразными опорами, соединенными с упомянутым выше полым корпусом. Опоры содержат внутри патрубков ребра (направляющие лопатки движителя), несущие центральный вал, на котором неподвижно установлен контрпропеллер. Центральный вал выполнен сборным, не имеющим вращения. Он проходит через камеру всасывания и камеру нагнетания. Со стороны камеры всасывания имеется заборное отверстие, камера нагнетания оканчивается соплом. Камеры условно разделяются контрпропеллером. По сути решение является водометным движителем с осевым насосом, являющимся одновременно ротором электродвигателя. Работает устройство следующим образом. При подводе электрического тока к обмоткам статора ротор получает вращение с постоянной частотой. Лопасти камеры всасывания через патрубок всасывания захватывают воду и тем самым создают некоторую осевую силу тяги, которая через чашеобразные опоры передается на корпус (он может быть прикреплен к судну и т.д.). Усиление силы тяги происходит в нагнетательной части движителя за счет того, что вода, вытесняемая лопастями из камеры всасывания, проходит через контрпропеллер (он выпрямляет направление потока воды), подхватывается следующими лопастями ротора и вытесняется через сопло наружу образуя дополнительную осевую силу тяги. Сила тяги пропорциональна напору воды, создаваемому во всасывающей и нагнетательной камерах. Напор пропорционален числу оборотов лопастей.
Недостатком решения является его ограниченные технологические возможности, связанные с отсуствием возможности регулирования числа оборотов гребного винта. Дополнительным недостатком устройства является вид используемого энергоносителя, а именно необходимость выработки на судне электрического тока промышленной частоты.
Техническим результатом разработанного решения является расширение технологических возможностей водомета (движителя-двигателя, т.е. движителя с осевым насосом) за счет обеспечения требуемой величины тяги при меньшем числе оборотов гребного винта. Это позволяет выполнить гребной винт больших размеров при его вращении с малой скоростью и большим крутящим моментом. Для получения такого крутящего момента место приложения крутящего момента должно отстоять как можно дальше от оси вращения гребного винта, например, крутящий момент может быть приложен к периферии лопастей гребного винта.
Указанный технический результат достигается тем, что вращательное движение от двигателя судна передается не на привычный гребной вал, несущий гребной винт, а на трансмиссионный вал, передающий вращательное движение на ряд вспомогательных гребных винтов, тангенциально установленных на обечайке, несущей внутри себя лопасти рабочего гребного винта.
Таким образом, заявляемое решение, как и прототип, содержит взаимодействующую с корпусом судна обечайку, внутри которой установлены лопасти гребного винта. Однако заявляемый объект отличается тем, что на наружной поверхности обечайки тангенциально установлены вспомогательные гребные винты, получающие вращение от судового двигателя через трансмиссионный вал и обеспечивающие вращение обечайки вокруг своей оси. При таком устройстве движителя судовой двигатель может быть высокооборотным и выдавать на трансмиссионный вал малый крутящий момент. Этот крутящий момент будет достаточным для вращения вспомогательных гребных винтов, которые будут вращать обечайку с невысокой скоростью, но с большим крутящим моментом. При этом лопасти гребного винта, расположенные внутри обечайки, будут развивать тяговое усилие, зависящее от диаметра обечайки. Таким образом, в решении реализовано «золотое правило механики», согласно которому здесь требуемое тяговое усилие (сила тяги) достигается при меньшей мощности (или меньшем крутящем моменте судового двигателя) за счет того, что крутящий момент приложен к периферии лопастей гребного винта. На сколько больше отнесена от оси вращения лопастей точка приложения крутящего момента, на столько меньше требуется крутящий момент.
На фиг.1 показана принципиальная схема водометного судового устройства при виде сбоку, на фиг.2 - показан вид с торца устройства на примере с тремя вспомогательными гребными винтами.
Устройство содержит трансмиссионный вал 1, получающий вращение от судового двигателя, например от высокооборотного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания. С вала 1 вращательное движение через промежуточные элементы передается на вспомогательные гребные винты 2, 3, например, с помощью зубчатых колес 4, 5 и промежуточных валов 6 и 7. Корпуса элементов 8, несущих вспомогательные гребные винты, закреплены на наружной поверхности обечайки 9, к внутренней поверхности которой закреплены лопасти 10 гребного винта. Центровая часть лопастей может быть связана с опорными элементами 11, взаимодействующими с корпусом судна. Для разгрузки лопастей винта от взаимодействия с корпусом судна обечайка может быть снабжена контрпропеллером, связанным с корпусом судна.
Работает устройство следующим образом. Вращение от судового двигателя передается через трансмиссионный вал 1, зубчатые передачи 4, промежуточный вал 6, зубчатые передачи 5 на вспомогательные гребные винты 2 и 3. Их вращение в результате взаимодействия с водой, создает тангенциальное усилие тяги Т, которое обеспечивает вращение В обечайке 9. Вместе с обечайкой вращаются лопасти 10 гребного винта. Их взаимодействие с водой создает рабочее усилие тяги Р, передаваемое через элементы 11 на корпус судна, в результате чего судно получает требуемое движение. Рабочее усилие тяги Р тем больше, чем больше тангенциальное усилие Т и чем на большей длине L плеча (иначе говоря на радиусе R обечайки) оно приложено.
Описание работы устройства подтверждает достижение технического результата и расширяет технологические возможности решения как в части возможности применения судовых двигателей, так и в части применения устройства как основного, так и подруливающего движителя.