СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ХОДОВОЙ ВИБРАЦИИ КОРПУСА КОРАБЛЯ, ВЫЗВАННОЙ РАБОТОЙ ГРЕБНОГО ВИНТА, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR REDUCING SHIP HULL VIBRATION CAUSED BY PROPELLER OPERATION, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области судостроения, а более конкретно к гребным винтам и может быть использовано для снижения ходовой вибрации корпуса корабля на лопастной частоте и кратных ей частотах.
Известны способы и устройства, реализующие данные способы, предназначенные для снижения ходовой вибрации корпуса корабля на лопастной частоте и кратных ей частотах, заключающиеся в уменьшении неравномерности сил, возникающих на гребном винте и передающихся корпусу корабля, с помощью увеличения количества лопастей гребного винта и придания им специальной формы (В.М. Болгов, Д.Д. Плахов, Д.М. Ростовцев «Акустические шумы и помехи на судах», Л., Судостроение, 1984 г., с. 48).
Недостатком известного является то, что они приводят к возникновению сильных вибраций из-за возможного совпадения лопастной частоты или кратных ей частот с одной из собственных резонансных частот продольных и поперечных колебаний корпуса корабля, валопровода либо лопастей гребного винта.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному являются принятые в качестве прототипа способ снижении ходовой вибрации корпуса корабля на лопастной частоте и кратных ей частотах, включающий уменьшение неравномерности сил, возникающих на гребном винте при его работе в неоднородном по окружности винта потоке жидкости и передающихся корпусу корабля, путем уменьшения этой неоднородности с помощью выбора соответствующей формы обводов кормовой оконечности, выступающих частей корпуса корабля, увеличения зазора между обшивкой кормовой оконечности и кромкой гребного винта (В.А. Постнов, B.C. Калинин, Д.М. Ростовцев «Вибрация корабля», Л., Судостроение, 1983 г., с. 237) и устройство для создания силы упора на гребном винте, включающее: гребной винт; гребной вал; главный упорный, промежуточный и дейдвудный опорные подшипники; привод в виде гребного электродвигателя постоянного тока (В.Н. Пархоменко «Комплексное применение средств акустической защиты для снижения вибрации и шума корабельного оборудования», СПб., Моринтех, 2001 г., с. 149).
Однако известные способ и устройство имеют недостатки, заключающиеся в неизбежном наличии на корпусе корабля выступающих частей таких, как ограждение рубки, кормовое оперение (в случае подводной лодки), заборные и выпускные устройства циркуляционных трасс, пилоны, стойки, несимметричные обводы кормовой оконечности (в случае надводного корабля), которые вносят возмущения в набегающий на гребной винт поток жидкости и снижают эффективность известного способа.
Тем более в известном не указано, что при равномерном вращении гребного винта в неоднородном набегающем потоке жидкости на нам возникают пульсирующие силы и моменты, частота которых определяется числом лопастей гребного винта и скоростью его вращения. Эти силы и моменты приводят к возникновению продольных, поперечных и крутильных колебаний валопровода, которые передаются корпусу корабля, вызывая его повышенную вибрацию на соответствующих частотах.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности способа снижения ходовой вибрации корпуса корабля, вызванной работой гребного винта, и создание устройства для его реализации.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в возможности снижении ходовой вибрации корпуса корабля на лопастной частоте и кратных ей частотах.
Указанный технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в том, что дополнительно к известному способу снижения ходовой вибрации корпуса корабля осуществляют изменение скорости вращения гребного винта в течение одного оборота соответственно изменению поля скоростей набегающего на винт потока жидкости в каждый момент времени. Устройство, реализующее данный способ, содержит, в отличие от прототипа, датчики сил для определения составляющих силы упора гребного винта, размещенные в районе дейдвудного опорного подшипника гребного вала в трех взаимно перпендикулярных направлениях; датчик скорости вращения гребного винта; датчик постоянной составляющей крутящего момента на валу гребного электродвигателя; блок управления, формирующий управляющий сигнал; регулятор тока, осуществляющий изменение тока в главной цепи (цепи якоря) гребного электродвигателя и управляющего скоростью вращения гребного винта в течение одного оборота по заданному закону, причем входы блока управления соединены с выходами датчиков сил, датчика скорости вращения гребного винта и датчика постоянной составляющей крутящего момента, а выход - со входом регулятора тока, выход которого соединен со входом главной цепи (цепи якоря) упомянутого привода.
Сущность заявленного поясняется чертежом, где дана схема управления скоростью вращения гребного винта. На чертеже изображено: 1 - гребной винт, 2 - дейдвудный опорный подшипник, 3 - датчики сил, 4 - промежуточный опорный подшипник, 5 - гребной вал, 6 - датчик скорости вращения гребного винта, 7 - упорный подшипник, 8 - датчик постоянной составляющей крутящего момента, 9 - гребной электродвигатель, 10 - регулятор тока главной цепи (цепи якоря) гребного электродвигателя, 11 - блок управления.
Заявляемое устройство работает следующим образом. При работе гребного винта в неоднородном потоке жидкости, который представляет собой течение с различными аксиальными и тангенциальными составляющими, каждый элемент лопасти встречает различные по величине и направлению скорости потока что, в свою очередь, ведет к колебанию угла атаки за один оборот гребного винта. Вследствие этого происходит колебание величины составляющих подъемной силы как на отдельно взятой лопасти, так и на гребном винте в целом по сравнению с этими величинами при действии винта в свободной воде. Переменные составляющие подъемной силы, действуя со стороны винта на жидкость, вызывают собственно звукоизлучение гребного винта на лопастной частоте и кратных ей частотах. С другой стороны, вследствие реакции жидкости точно такие же по величине, но противоположные по направлению силы действуя со стороны жидкости на винт и передаваясь через гребной вал корпусу корабля, вызывают его ходовую вибрацию.
Переменные силы, действующие на гребной винт, в силу их периодичности могут быть представлены в виде ряда Фурье на интервале 0≤ϕ≤2π, причем амплитуды этих сил пропорциональны скорости вращения гребного винта в квадрате. В этом случае подъемная сила гребного винта может быть представлена в следующем виде:
где ϕ =ωt - угол поворота гребного винта;
n - скорость вращения гребного винта;
Z - число лопастей гребного винта;
- постоянные коэффициенты, величина которых, зависящая от характера неоднородности набегающего на винт потока и типа гребного винта, определяется по результатам гидродинамических испытаний моделей данного корабля;
- начальные фазы j-x гармоник переменных сил;
- постоянная составляющая подъемной силы гребного винта;
- переменная составляющая подъемной силы гребного винта.
Для снижения ходовой вибрации корпуса корабля необходимо свести к минимуму переменные составляющие подъемной силы, что может быть достигнуто обеспечением постоянства угла атаки за один оборот гребного винта. Поскольку попутный поток представляет собой течение с различными аксиальными и тангенциальными скоростями, то для выполнения условий постоянства угла атаки необходимо, чтобы в каждый момент времени при изменении аксиальной составляющей скорости попутного потока происходило соответствующее изменение тангенциальной составляющей, что для гребного винта в целом может быть обеспечено за счет изменения его окружной скорости в течение одного оборота по закону:
0
где n - постоянная составляющая скорости вращения гребного винта;
n(ϕ) - переменная составляющая скорости вращения гребного винта.
Для того чтобы реализовать данный закон изменения скорости вращения гребного винта, необходимо обеспечить соответствующее изменение крутящего момента на валу гребного двигателя, которое может быть получено из уравнения движения вращающегося гребного вала (3) путем подстановки в него значения n:
где J - момент инерции вращающихся масс с учетом присоединенной к гребному винту массы воды;
0
Н(n) - момент сил сопротивления вращению гребного вала, обусловленных трением в опорных конструкциях валопровода и трением гребного винта о воду;
2
2
0
4πnm - момент сил сопротивления вращению гребного винта.
В результате получим следующий алгоритм изменения крутящего момента:
0
0
2
2
где M=4πnm - статический момент сил сопротивления на валу гребного двигателя.
0
Моментом сил сопротивления вращению гребного вала, обусловленных трением в подшипниках Н(n), в виду их малости можно пренебречь.
кр
я
Поскольку крутящий момент на валу гребного электродвигателя постоянного тока пропорционален току в главной цепи (цепи якоря) М=kΦI, то закон изменения крутящего момента может быть реализован путем соответствующего изменения тока в главной цепи:
где  - коэффициент, зависящий от конструктивных данных электродвигателя;
p - число пар полюсов электродвигателя;
W - число активных проводников обмотки якоря;
а
- число пар параллельных ветвей обмотки якоря;
Φ - результирующий магнитный поток электродвигателя.
0
0
Для этого (см. схему управления скоростью вращения гребного винта) сигналы в виде электрических токов с выходов датчиков сил - 3, размещенных в трех взаимно перпендикулярных направлениях в районе дейдвудного опорного подшипника - 2 гребного вала - 5, датчика скорости вращения гребного винта - 6 и датчика постоянной составляющей крутящего момента M - 8, размещенных на гребном валу, поступают на вход блока управления - 11, где вырабатывается управляющий сигнал, подающийся с выхода блока управления на вход регулятора тока главной цепи (цепи якоря) гребного электродвигателя - 10. В соответствии с управляющим сигналом регулятор тока вырабатывает переменную составляющую тока главной цепи I(ϕ), которая с выхода преобразователя подается в главную цепь и суммируется там с постоянной составляющей тока I, обусловливая переменную составляющую крутящего момента на валу гребного электродвигателя - 9, соответствующую закону изменения скорости вращения гребного винта - 1 в течение одного оборота, что, в свою очередь, приводит к снижению величины переменных сил, действующих на гребном винте, и, соответственно, ходовой вибрации корпуса корабля на лопастной и кратных ей частотах.
Таким образом, представленные описание и чертеж позволяют сделать заключение о том, что заявляемое обладает новизной, отличаясь от прототипа такими существенными признаками, как дополнительное изменение скорости вращения гребного винта в течение одного оборота соответственно изменению поля скоростей набегающего на винт потока жидкости в каждый момент времени; использование устройства для создания подъемной силы на гребном винте, дополнительно снабженное датчиками сил для определения составляющих силы упора винта, размещенными в районе дейдвудного опорного подшипника гребного вала в трех взаимно перпендикулярных направлениях; датчиком скорости вращения гребного винта; датчиком постоянной составляющей крутящего момента на валу гребного электродвигателя; блоком управления, формирующем управляющий сигнал; регулятором тока, осуществляющим изменение тока в главной цепи (цепи якоря) гребного электродвигателя и управляющего скоростью вращения гребного винта в течение одного оборота по заданному закону, причем входы блока управления соединены с выходами датчиков сил, датчика скорости вращения гребного винта и датчика постоянной составляющей крутящего момента, а выход - со входом регулятора тока, выход которого соединен со входом главной цепи (цепи якоря) упомянутого привода. Это позволяет выполнить поставленную задачу и сделать вывод о наличии изобретательского уровня и промышленной применимости.