ГРЕБНОЙ ВИНТ
PROPELLER SCREW

Изобретение относится к области гидродинамики и может быть применено для современных скоростных аппаратов, движущихся в воде целиком или частично скоростных лопастных устройств, которые используются в различных отраслях народного хозяйства, преимущественно в судостроении, а именно для гребных винтов.
Известна конструкция пустотелой лопасти судового гребного винта, включающая переднюю и заднюю стенки, соединенные между собой и образующие соответственно нагнетательную и засасывающую поверхности, снабженные внутренними ребрами жесткости (см. пат. Швеции №302884, МПК B63H 1/14, дата публикации 1971).
Недостатком технического решения является низкие эксплуатационные характеристики и ограниченная область применения из-за наличия значительного гидравлического сопротивления, низкого КПД, а также подверженности кавитации.
Известен кавитирующий гребной винт для быстроходных судов, включающий ступицу с литыми лопастями, имеющими радиальные прорези с профилированными кромками (см. а.с. СССР №353866, МПК B63H 1/14, дата публикации 1972).
Недостатком данной конструкции являются низкие эксплуатационные характеристики и ограниченная область применения, так как во время эксплуатации при перепаде статического давления между нагнетательной и засасывающей сторонами происходит перетек части внешней среды через прорезь в лопасти в область последней, на что затрачивается значительная часть энергии и, как следствие, потеря упора. Следовательно, кавитационная защита напрямую связана с уменьшением КПД винта. При этом данное решение не устраняет кавитационное разрушение материала винта, а лишь снижает его интенсивность. Гидравлическое сопротивление винта остается достаточно большим, а КПД минимальным.
В качестве ближайшего аналога принят гребной винт, содержащий ступицу, выполненную с возможностью передачи ей вращения от вала привода, снабженную лопастями с нагнетающими и всасывающими поверхностями, выполненный с возможностью изменения параметров рабочей среды у поверхности лопасти (см. RU №2200113, B63H 1/24, B64C 11/24, 2003).
К недостаткам ближайшего аналога можно отнести повышенную трудоемкость изготовления и снижение прочностных характеристик лопастей, ослабляемых каналами для подвода-отвода среды. Кроме того, при движении на реверсивных ходах данная конструкция работоспособна только при движении вперед. Все это снижает эксплуатационные характеристики винта.
Задачей данного изобретения является разработка гребного винта с улучшенными эксплуатационными характеристиками, более простого в изготовлении.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в следующем:
- уменьшение гидродинамического сопротивления за счет заданного изменения соотношения плотностей среды на нагнетающей и засасывающей поверхностях винта;
- улучшение эксплуатационных характеристик;
- снижение трудоемкости изготовления;
- расширение области применения за счет возможности эксплуатации как на прямом, так и реверсивном ходу судна;
- повышение надежности работы лопастей винта при длительной эксплуатации вследствие отсутствия в них ослабляющих полостей и каналов.
Поставленная задача решается тем, что гребной винт, содержащий ступицу, выполненную с возможностью передачи ей вращения от вала привода, снабженную лопастями с засасывающими и нагнетающими поверхностями, выполненными с возможностью изменения параметров рабочей среды у поверхности лопасти, отличающийся тем, что гребной винт выполнен с возможностью целенаправленного изменения параметров рабочей среды как на засасывающей, так и нагнетающей поверхностях лопастей, для чего ступица выполнена в виде стакана, на внешней поверхности которого закреплены лопасти, при этом в стенках ступицы выполнены ряды сквозных отверстий, равномерно размещенных по периметру ступицы как со стороны всасывающих, так и нагнетающих поверхностей лопастей, при этом ряды сквозных отверстий, размещенные со стороны всасывающих и нагнетающих поверхностей лопастей, изолированы друг от друга и сообщены с отдельными источниками сжатого газа, для чего вал привода выполнен полым, пропущен с возможностью вращения в неподвижной втулке, со стороны которой, обращенной к донной части ступицы, выполнен кольцевой паз, дно которого сообщено отверстием с противоположной стороной неподвижной втулки, кроме того, на валу привода жестко закреплена вторая втулка, внешняя поверхность которой совпадает с ближайшей к оси вращения вала привода поверхностью кольцевого паза, и составляет цилиндрический кольцевой зазор с обращенной к ней боковой поверхностью полости ступицы, при этом участок цилиндрического кольцевого зазора, удаленный от неподвижной втулки, сообщен с полостью зазора между торцом второй втулки и донной частью ступицы, кроме того, цилиндрический кольцевой зазор герметично перекрыт перегородкой, включающей основные участки, размещенные непосредственно под корневыми участками лопастей, и участки, соединяющие ближайшие друг к другу концы основных участков, причем перегородка жестко и герметично скреплена и со второй втулкой, и со ступицей, которая жестко и герметично скреплена и со второй втулкой, и со ступицей, при этом отверстие в неподвижной втулке сообщено с первым источником сжатого газа и перекрыто первым обратным клапаном, кроме того, полость вала привода сообщена со вторым источником сжатого газа, его торец перекрыт вторым обратным клапаном. Кроме того, ступица гребного винта выполнена разборной и содержит донную и боковую части.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «гребной винт выполнен с возможностью целенаправленного изменения параметров рабочей среды как на засасывающей, так и нагнетающей поверхностях лопастей» обеспечивает возможность регулирования плотности среды в зоне работы винта независимо от направления движения судна (независимо от местоположения засасывающей поверхности).
Признак «ступица выполнена в виде стакана, на внешней поверхности которого закреплены лопасти» обеспечивает возможность подвода сжатого газа к засасывающей или нагнетающей поверхностям лопастей через полость ступицы.
Признак «в стенках ступицы выполнены ряды сквозных отверстий, равномерно размещенных по периметру ступицы как со стороны нагнетающих, так и засасывающих поверхностей лопастей» обеспечивает работу системы как на прямом, так и реверсивном ходу судна.
Признак «ряды сквозных отверстий, размещенных с засасывающих и нагнетающих поверхностей лопастей, изолированы друг от друга и сообщены с отдельными источниками сжатого газа» обеспечивает возможность неодновременного (раздельного) изменения плотности среды в рабочей зоне винта, в зависимости от требований ситуации.
Признак «вал привода выполнен полым» обеспечивает подвод сжатого газа в «торцовый» объем полости ступицы.
Признак «вал привода … пропущен с возможностью вращения в неподвижной втулке» обеспечивает возможность вращения ступицы с лопастями и подвода сжатого газа в «боковой» объем полости ступицы.
Признак «со стороны [неподвижной втулки], обращенной к донной части ступицы, выполнен кольцевой паз, дно которого сообщено отверстием с противоположной стороной неподвижной втулки» обеспечивает возможность подвода сжатого газа в ряды сквозных отверстий, расположенные с засасывающей стороны лопасти (на чертеже - слева), независимо от вращения ступицы.
Признак «на валу привода жестко закреплена вторая втулка, внешняя поверхность которой совпадает с ближайшей к оси вращения вала привода поверхностью кольцевого паза и составляет цилиндрический кольцевой зазор с обращенной к ней боковой поверхностью полости ступицы» обеспечивает подвод сжатого газа в ряды сквозных отверстий, расположенные с засасывающей стороны лопасти (на чертеже - слева).
Признак «участок цилиндрического кольцевого зазора, удаленный от неподвижной втулки, сообщен с полостью зазора между торцом второй втулки и донной частью ступицы» обеспечивает возможность подвода газа в ряды отверстий, расположенные с нагнетающей стороны лопасти (на чертеже - справа), независимо от вращения ступицы.
Признак «цилиндрический кольцевой зазор герметично перекрыт перегородкой, включающей основные участки, размещенные непосредственно под корневыми участками лопастей, и участки, соединяющие ближайшие друг к другу концы основных участков, причем перегородка жестко и герметично скреплена и со второй втулкой, и со ступицей» обеспечивает изоляцию друг от друга рядов сквозных отверстий, расположенных с разных сторон лопастей винта.
Признак «отверстие в неподвижной втулке сообщено с первым источником сжатого газа и перекрыто первым обратным клапаном, кроме того, полость вала привода сообщена со вторым источником сжатого газа, его торец перекрыт вторым обратным клапаном» обеспечивает раздельный подвод сжатого газа к соответствующим рядам сквозных отверстий, при этом обратные клапаны препятствуют попаданию воды в трубопроводы, подводящие сжатый газ.
На фиг.1 изображен продольный разрез гребного винта.
На фиг.2 и 3 изображены поперечные разрезы гребного винта.
На фиг.4 изображен общий вид перегородки.
На чертежах показана ступица 1, вал привода 2, лопасти 3, ряды сквозных отверстий 4 со стороны засасывающих 5 и сквозных отверстий 6 со стороны нагнетающих 7 поверхностей лопастей 3, неподвижная втулка 8, донная часть 9 ступицы 1, кольцевой паз 10 и отверстие 11 неподвижной втулки 8, вторая втулка 12, цилиндрический кольцевой зазор 13, зазор 14 между торцом второй втулки 12 и донной частью 9 ступицы 1, перегородка 15, первый 16 и второй 17 источники сжатого газа, первый 18 и второй 19 обратные клапаны, эластичный шланг 20, основные 21 и соединяющие 22 участки перегородки 15.
Ступица 1 выполнена в виде стакана, на внешней поверхности которого закреплены лопасти 3.
Ряды сквозных отверстий 4 выполнены в стенках ступицы 1 со стороны засасывающих 5 поверхностей лопастей 3.
Ряды сквозных отверстий 6 выполнены в стенках ступицы 1 со стороны нагнетающих 7 поверхностей лопастей 3.
Вал привода 2 выполнен полым и пропущен с возможностью вращения в неподвижной втулке 8, которая снабжена кольцевым пазом 10, расположенным со стороны, обращенной к донной части 9 ступицы 1, причем дно кольцевого паза 10 сообщено отверстием 11 с противоположной стороной неподвижной втулки 8.
Вторая втулка 12 жестко закреплена на валу привода 2, ее внешняя поверхность совпадает с ближайшей к оси вращения вала привода 2 поверхностью кольцевого паза 10 и составляет цилиндрический кольцевой зазор 13 с обращенной к ней боковой поверхностью полости ступицы 1, причем цилиндрический кольцевой зазор 13 герметично перекрыт перегородкой 15.
Участок цилиндрического кольцевого зазора 13, удаленный от неподвижной втулки 8, сообщен с полостью зазора 14 между торцом второй втулки 12 и донной частью 9 ступицы 1.
Перегородка 15 включает основные участки 21, размещенные непосредственно под корневыми участками лопастей 3, и участки 22, соединяющие ближайшие друг к другу концы основных участков 21, причем перегородка 15 жестко и герметично скреплена и со второй втулкой 12, и со ступицей 1.
Первый источник сжатого газа 16 сообщен с отверстием 11 в неподвижной втулке 8 эластичным шлангом 20 и перекрыт первым обратным клапаном 18.
Второй источник сжатого газа 17 сообщен с полостью вала привода 2, а его торец перекрыт вторым обратным клапаном 19.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При движении судна вращается вал привода 2 и возникает разница давлений на засасывающих 5 и нагнетающих 7 поверхностях лопастей 3, вследствие чего образуется подъемная сила, одна из составляющих которой направлена противоположно направлению движения судна и создает упор - силу, толкающую судно вперед.
Причем при прямом ходу судна от первого источника 16 по эластичному шлангу 20 подают сжатый газ, который через цилиндрический кольцевой зазор 13 попадает в ряды сквозных отверстий 4, в результате чего на засасывающих поверхностях 5 лопастей 3 происходит изменение соотношения плотностей среды и как следствие снижается гидродинамическое сопротивление. Первый обратный клапан 18 препятствует попаданию воды в эластичный шланг 20.
При реверсивном ходе судна от второго источника 19 подают сжатый газ в полость вала привода 2, который через полость зазора 14 между торцом второй втулки 12 и донной частью 9 ступицы 1 попадает в ряды сквозных отверстий 6, в результате чего на нагнетающих поверхностях 7 лопастей 3 также происходит изменение соотношения плотностей среды и как следствие снижается гидродинамическое сопротивление. Второй обратный клапан 19 препятствует попаданию воды в полость вала привода 2.
Устройство рядов сквозных отверстий 4 со стороны засасывающих 5 и сквозных отверстий 6 со стороны нагнетающих 7 поверхностей лопастей 3, а также раздельная подача сжатого газа в них позволяет снизить гидродинамическое сопротивление, улучшить эксплуатационные характеристики, а также повысить надежность работы лопастей винта при длительной эксплуатации.