АМОРТИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СТУПИЦЫ ГРЕБНОГО ВИНТА
PROPELLER SCREW HUB DAMPER

Изобретение относится к области судостроения и судоремонта.
Известен гребной винт Савицкого, содержащий поворотные лопасти с фланцами, установленными в расточках ступицы. Фланец каждой лопасти выполнен с упорами, а ступица снабжена разъемными втулками, каждая из которых установлена в расточке ступицы, при этом каждая втулка выполнена с вырезами под соответствующие упоры на фланце (см. патент РФ №2031048, МПК В63Н 3/00, 1995 г.).
К недостаткам указанного гребного винта относится невозможность амортизации суммарного изгибающего момента и частичного гашения крутильных колебаний, возникающих в плоскости вращения винта.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является амортизирующее устройство ступицы гребного винта, реализованное в гребном винте (см. патент RU №101428 U1, МПК В63Н 3/00, 2010 г., автор Славгородская А.В.), содержащее поворотные лопасти с фланцами, установленными в расточках ступицы. Каждая поворотная лопасть выполнена с возможностью взаимодействия с амортизирующим элементом, амортизирующимся в жестко-упругом режиме. Амортизирующий элемент выполнен в виде пружины сжатия, размещенной в цилиндрической выемке, выполненной из полости расточки ступицы, в плоскости, пересекающей ее продольную ось, при этом торец кромки ступицы снабжен пазом, причем один конец пружины уперт в паз, а другой уперт в дно выемки.
Недостатком известного устройства является недостаточная амортизация в плоскости действия суммарного изгибающего момента и других колебаний, возникающих вследствие неравномерности гидродинамического потока и работы двигателя. Кроме того, не предусмотрено действие пружин на растяжение при работе задним ходом. Пропульсивный коэффициент работы такого винта не высок.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является устранение вышеуказанных недостатков и повышение пропульсивного коэффициента работы гребного винта.
Поставленная задача решается тем, что в известном амортизирующем устройстве ступицы гребного винта, содержащем поворотные лопасти с фланцами, установленными в расточках его ступицы, выполненные с возможностью взаимодействия с амортизирующими элементами в виде пружин сжатия, деформирующимися в жестко-упругом режиме, в отличие от него заявляемое устройство содержит дополнительные амортизирующие элементы каждой лопасти гребного винта, сферический опорный шарнир фланца лопасти, размещенный в центральной выемке проточки ступицы. При этом торцовые стенки расточки ступицы и фланца лопасти выполнены сферическими с центром кривизны в центре сферического опорного шарнира. Последний прилегает к фланцу лопасти посредством пружины сжатия. Крепежные элементы, скрепляющие фланцы лопастей со ступицей, расположены по радиусу по обеим противоположным сторонам лопасти. Они ввернуты каждый в ступицу с наклоном их головок к оси фланца лопасти через отверстие во фланце, имеющее расширенный диаметр в своей верхней части. Каждая пружина сжатия установлена на данный крепежный элемент в его нижней оконечности, которые, в свою очередь, размещены в обращенных друг к другу выточках на противоположных поверхностях фланца лопасти и ступицы, выполненных по осям симметрии данных крепежных элементов. При этом одна сторона пружины сжатия опирается в дно выточки во фланце лопасти, а противоположная - в крепежный элемент в выточке ступицы. Дополнительные амортизирующие элементы насажены посредством своих крепежных элементов - гаек на верхние оконечности крепежных элементов, скрепляющих фланец лопасти со ступицей. Каждый из них размещен в расширенном диаметре упомянутого отверстия фланца лопасти и сопряжен своим основанием с дном данного расширенного диаметра отверстия фланца лопасти. Вокруг фланца лопасти установлен съемный монтажный обод, а внутренние полости ступицы герметично закрыты уплотнением.
Конструктивно и технологически оправдано, когда дополнительные амортизирующие элементы выполнены в виде упругих резиновых втулок.
Заявляемые отличительные и ограничительные признаки обеспечивают достижение поставленной технической задачи - амортизация крутильных и изгибных колебаний, в том числе и на заднем ходу, и повышению пропульсивного КПД гребного винта.
Как известно, при работе на лопасть винта действуют следующие нагрузки: постоянные или статические, обеспечивающие упор винта и нагрузки от действия центробежных сил, а также дополнительные нагрузки: периодические (пульсирующие), возникающие от неравномерности обтекающего потока воды; динамические - от неравномерности работы двигателя, и случайные (ударные). От действия вышеперечисленных нагрузок возникает шум и вибрация. Дополнительные нагрузки воспринимаются комлевой заделкой лопасти, а затем передаются на дейдвудный подшипник и опоры гребного вала, что сопряжено со снижением пропульсивного КПД винта и не редко с отклонением от эксплуатационных параметров линии вала.
л
л
изг
скр
ц
Лопасть вращающегося винта в состоянии установившегося процесса находится под действием противоположно направленных сил, сжимающих упругие амортизирующие элементы. С одной стороны, фланец лопасти испытывает давление ступицы от сжатых, посредством крепежных элементов - гаек, на заданное усилие упругих резиновых втулок. С другой стороны, фланец лопасти поддерживается пружинами, сжатыми фланцем лопасти и ступицы на определенную величину при сборке. Как известно, во время работы винта на лопасть действуют следующие силы и моменты: сила упора лопасти Р, тангенциальная сила Т, суммарный изгибающий момент М от действия гидродинамических и центробежных сил, приложенных ко всей поверхности лопасти; скручивающий момент М, возникающий от действия гидродинамических и центробежных сил; центробежные силы N, действующие по нормали к сечениям лопастей. Расположение упругих амортизирующих элементов в виде резиновых втулок и пружин сжатия в ступице винта под каждой лопастью, в совокупности со сферическим подпружиненным опорным шарниром, позволяет ей отклоняться в трех плоскостях, независимо от других лопастей. Это способствует частичной амортизации возникающих нагрузок и, как следствие, повышению пропульсивного КПД винта. При этом наклон головок крепежных элементов, скрепляющих фланцы лопастей со ступицей, выполнен с целью снижения изгибных нагрузок на эти крепежные элементы.
На фиг.1 представлено сечение заявленного устройства в сборе. На фиг.2 - силы, действующие на лопасть винта в районе комлевой заделки. На фиг.3 - узел крепежного элемента лопасти. На фиг.4 - вид сверху на лопасть в сборе.
Заявленное амортизирующие устройство содержит ступицу 1 (фиг.1), в которой выполнена расточка под фланец лопасти 2. Торцевые стенки расточки, как и фланца лопасти, выполнены сферическими с центром кривизны в центре его сферического шарнира 3 (опора 3). Плотность прилегания опоры 3 к фланцу лопасти обеспечивается пружиной сжатия 4. Для монтажа и демонтажа лопасти снаружи ее фланца предусмотрен съемный обод 5 со сферической внутренней стенкой, который закреплен стопорами 6. Для обеспечения необходимой герметичности внутренних полостей ступицы предусмотрены резиновые уплотнения 7 на сопряженных поверхностях расточки ступицы 1 и фланца лопасти 2. Лопасть закреплена на ступице при помощи восьми болтов 8 (фиг.3, 4), расположенных по радиусу по обеим противоположным сторонам лопасти и ввернутых в ступицу 1 через отверстие во фланце лопасти с определенным усилием, имеющим расширенный диаметр в верней части. Болты 8 посажены в ступице с наклоном их головок внутрь относительно оси фланца лопасти. Лопасть посажена фланцем на сферическую опору 3, расположенную в центральной выемке проточки ступицы. Фланец лопасти закреплен к ступице посредством гаек 9 на болтах 8, которые прижимают дополнительные амортизирующие элементы в виде упругих резиновых втулок 10 к днищу расширенного диаметра отверстия во фланце лопасти. Эти полости расширенного диаметра отверстий во фланцах, в которых установлены упругие резиновые втулки 10, закрыты колпаками 11 для обеспечения герметичности узла. Противоположные поверхности фланца лопасти 2 и ступицы 1 имеют вокруг болтов 8 обращенные друг к другу выточки, выполненные каждая по их осям, в которые установлена пружина сжатия 12 в качестве упругого амортизирующего элемента. Одна сторона пружины 12 опирается в дно выточки во фланце лопасти, а противоположная - в фаску болта 8 в выточке ступицы.
ц
скр
Устройство используют следующим образом. Под действием набегающего водного потока на переднем ходу лопасть 2 на шарнире 3 отклоняется на определенный угол, причем шарнир 3 позволяет вращаться лопасти в трех плоскостях. Упругие элементы 12 и 10 от этого сжимаются, тем самым амортизируя динамические нагрузки, возникающие при запуске двигателя. При увеличении числа оборотов двигателя лопасть отклоняется до полного сжатия пружин 12 и остается в таком положении при постоянных оборотах двигателя. Статические нагрузки N и М, возникающие от действия появляющихся центробежных сил, будут амортизироваться резиновыми втулками 10. Периодические нагрузки, которые возникают от неравномерности крутящего момента двигателя, случаев выхода винта на поверхность воды, от неравномерности турбулентного потока жидкости, будут компенсироваться за счет сжатия и разжимания пружин 12 и резиновых втулок 10. Также частично будут устранены колебания, вызванные неравномерностью обтекания лопасти потоком воды, т.к. угол наклона лопастей при работе на переднем ходу уменьшится вследствие отклонения последних. Случайные (ударные) нагрузки, не превышающие прочность конструктивных узлов, также будут аналогично частично скомпенсированы. При этом на заднем ходу устройство будет работать аналогично. Таким образом, производится использование заявляемого изобретения.