Судовой винтовой движитель
SHIP PROPELLER

Изобретение относится к области судостроения и касается вопроса создания судовых гребных движителей с низким уровнем гидродинамического шума.
Известно, что лопастные системы, работающие в открытом или замкнутом пространстве жидкости или газа, являются источниками гидродинамического (докавитационного) или аэродинамического шума. При этом движитель является источником шума как в низкочастотном (длинноволновом), так и в высокочастотном (коротковолновом) диапазоне.
Известен гребной винт, содержащий ступицу, на которой размещены лопасти с нагнетающими и всасывающими поверхностями (Патент РФ №2244657, опубл. от 20.01.2005, Бюл. №2). Данное устройство имеет ограниченное применение, поскольку в процессе работы винта под действием нагрузок его лопасти совершают высокочастотные колебания в звуковом диапазоне частот (винт «звенит»), которые передаются в толще воды на большие расстояния. В результате судно слышно за многие десятки миль, это приводит к негативным последствиям.
Известен судовой гребной винт, лопасти которого снабжены эластичным элементом, выполненным в виде вкладыша, установленного и зафиксированного в выемке лопасти, с целью предохранения лопасти от кавитационного разрушения (Авторское свидетельство СССР №213620, опубл. от 20.05.1968 г.).
Однако указанная конструкция лопасти гребного винта-прототипа предназначена лишь для предохранения лопасти от кавитационного разрушения и не позволяет уменьшить кромочный шум лопастей, возникающий из-за вибраций кромок лопастей при работе гребного винта.
Способы борьбы с излучаемым движителем шумом основываются главным образом на конструктивном исполнении лопастей движителя, в частности, выходных участков его лопастей.
Известно устройство движителя с пилообразной выходящей кромкой в областях, связанных с авиастроением (Беляев И.Ю., Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф. Влияние шевронов на шум предкрылка, Акустический журнал, 2015, том 61, №6, с. 754-763).
Однако, при этом возможность использования пилообразной кромки для нужд гидроакустики не очевидна как из-за различия параметров воздушной и водной сред (плотность, скорость распространения звука в различных средах), так и по причине наличия в воде явления кавитации
Известен судовой движитель (винт), содержащий ступицу и лопасти с входными и выходными участками, причем выходные участки лопастей по всей высоте выполнены с периодическими отклонениями фактического выходного угла лопасти относительно расчетного угла, и поверхности выходного участка лопастей имеют волнообразную форму (Патент РФ №2317225, опубл. от 20.02.2008 г., Бюл. №5).
Однако, известный судовой движитель позволяет снижать докавитационный (некавитационный) шум на лопастной частоте и ее гармониках, то есть в низкочастотной области, и не обеспечивает снижение его шума в высокочастотном диапазоне - на высоких частотах, измеряющихся в килогерцах (кгц). Как показывают многочисленные исследования, снижение шума в указанном частотном диапазоне связано с особенностями взаимодействия турбулентных вихрей с выходящей кромкой лопасти гребного движителя.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в снижении гидродинамического шума судового винтового движителя в высоком частотном диапазоне, измеряемом в килогерцах, а также улучшение докавитационных акустических характеристик с сохранением кавитационных качеств движителя.
Это достигается тем, что в судовом винтовом движителе, содержащем лопасти с выходными участками, которые имеют волнообразное исполнение, по изобретению контуру кромок выходных участков лопастей придана зубчатая (пилообразная или синусоидальна) форма в плане, при этом отношение ширины основания зуба L пилообразной или синусоидальной кромки лопасти к половине его высоты h составляет не более четырех, а волнообразными выполнены выходные участки лопастей только с нагнетающей стороны лопасти, причем с засасывающей стороны они остаются гладкими.
Выполнение выходных участков лопастей по всей высоте, имеющими пилообразную или синусоидальную форму задней кромки лопасти, а также соотношение геометрических параметров зубцов, когда ширина основания зубца составляет не более четырех его полувысот, позволяет получить новое качество, заключающееся в снижении шума в высокочастотном диапазоне, измеряемом в кГц, за счет взаимодействия турбулентных вихрей с выходящей кромкой лопасти при указанных значениях геометрических параметрах зубцов, при этом учитывается, что размер вихрей определяется толщиной пограничного слоя на выходящей кромке лопасти, которая в свою очередь определяется шириной лопасти и скоростью обтекания ее потоком, а выполнение волнообразными выходных участков лопастей движителя только с нагнетающей стороны лопасти, при том, что засасывающей стороны лопасти они остаются гладкими, позволяет сохранить единство профилировки лопастей, приводящее к сохранению кавитационных качеств, то есть момента возникновения кавитации на лопастях.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 представлена скошенная выходящая кромка, на фиг. 2 - пилообразная выходящая кромка, на фиг. 3 - судовой винтовой движитель с пилообразными (синусоидальными) формами выходящих кромок лопастей, на фиг. 4 - фрагмент зубчатой (пилообразной или синусоидальной) формы выходящей кромки лопасти движителя и на фиг. 5 - поперечное сечение выходного участка лопасти движителя.
Из теории высокочастотного (кромочного) шума известен факт, что излучение выходящей кромки имеет максимум, когда угол β между нормалью к выходящей кромке и скоростью потока равен нулю (фиг. 1). При этом крыло или лопасть со скошенной выходящей кромкой при равных геометрических параметрах обладает меньшей несущей способностью, чем крыло с прямой выходящей кромкой. Этим недостатком не обладают лопасти с пилообразной или синусоидальной формой выходящих кромок (фиг. 2). Для пилообразной или синусоидальной кромки угол β сохраняется ненулевым практически вдоль всего размаха, исключая впадины и вершины зубцов (фиг. 2). При этом не составляет труда так спроектировать лопасть, чтобы ее несущая способность была такой же, что и у лопасти таких же параметров с обычной геометрией выходящей кромки.
Судовой винтовой движитель содержит ступицу 1 и лопасти 2 с входными 3 и выходными 4 участками. Контур кромок выходных участков 4 лопастей 2 имеет зубчатую форму, при этом отношение ширины основания зуба L кромки лопасти к половине его высоты h составляет не более четырех. При этом выходные участки 4 лопастей 2 с нагнетающей стороны 5 лопасти 2 выполнены волнообразными, а с засасывающей стороны 6 они остаются гладкими.
Работа судового винтового движителя осуществляется следующим образом.
При вращении движителя в потоке жидкости на его лопастях 2 образуется пограничный слой, содержащий в себе турбулентные вихри, при взаимодействии которых с выходящими кромками 4 лопастей 2 возникает высокочастотный шум, называемый кромочным. Причем максимум шума достигается, когда угол между направлением схода вихрей с выходящей кромки и нормалью к выходящей кромке составляет 0 градусов (фиг. 1). Придание выходящей кромке 4 лопасти 2 пилообразной (синусоидальной) формы приводит к тому, что механизм взаимодействия большинства вихрей с выходящей кромкой 4 изменится и указанный угол будет отличен от 0 градусов, и в результате этого уровни кромочного шума снижаются. Кроме того, при обеспечении определенных геометрических параметров зубца пилообразной кромки, в частности, при отношении ширины основания зуба L к половине его высоты h, составляющим не более четырех, вихри, сходящие с соседних зубцов этой лопасти частично компенсируют действие друг друга, благодаря чему происходит еще большее снижение уровня кромочного шума в высокочастотном диапазоне.
Результаты экспериментальных исследований, проведенных авторами на моделях судовых лопастных движителей, имеющих пилообразную выходящую кромку лопастей (фиг. 4), показывают, что применение указанной формы кромки выходного участка лопасти может приводить к снижению уровня шумоизлучения судовым лопастным движителем в высокочастотном диапазоне на 3-5 дБ и более.
Предлагаемый судовой винтовой движитель обладает улучшенными докавитационными акустическими характеристиками с сохранением кавитационных качеств движителя. При использовании такого движителя достигается снижение его гидродинамического шума в высоком частотном диапазоне, измеряемом в килогерцах, что его выгодно отличает от прототипа.
Информация, принятая во внимание при составлении заявочных документов:
1. Патент РФ №2244657, опубл. от 20.01.2005, Бюл. №2.
2. Авторское свидетельство СССР №213620, опубл. от 20.05.1968 г.
3. Беляев И.Ю., Зайцев М.Ю., Копьев В.Ф. Влияние шевронов на шум предкрылка // Акустический журнал, 2015, том 61, №6, с. 754-763.
4. Патент РФ №2317225, опубл. от 20.02.2008 г., Бюл. №5 - прототип.