ЛОПАСТНОЙ ДВИЖИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС
BLADE PROPELLER SYSTEM

Изобретение относится к области судостроения, в частности к конструкциям двухступенчатых судовых лопастных движительных комплексов.
Известен лопастной движительный комплекс, состоящий из двух реактивных лопастных движителей, представляющих собой два соосных гребных винта противоположного вращения (см. журнал Фунэ-но-кагау, vol. 41, №11, 1988).
Известен также движительный комплекс, состоящий из двух лопастных движителей, представляющих собой гребной винт и контрпропеллер, расположенный соосно с гребным винтом, имеющий возможность свободно вращаться (см. А.С.Артюшков, А.Ш.Ачкинадзе, А.А.Русецкий "Судовые движители", Ленинград, "Судостроение", 1988, с.243, 244) и получивший название по имени изобретателя О.Грима (O.Grim).
Недостатком указанных движительных комплексов является невозможность обеспечения маневрирования судна.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому, принятым за прототип изобретения, является многофункциональный лопастной движительный комплекс, содержащий гребной винт и расположенный за ним соосно контрпропеллер меньшего диаметра с лопастями регулируемого шага, и механизмом поворота последнего вокруг вертикальной оси, а также с механизмом его стопорения (см. А.Р.Тогуняц "Способ движения и маневрирования судна и лопастной движительный комплекс". Описание к патенту РФ №2098316 на изобретение от 10.12.97, кл. В63Н 5/10, Бюл. №34, 1997 г.).
Недостатками указанного прототипа являются повышенный уровень вибрации контрпропеллера при работе в реактивном режиме, высокая вероятность эрозионного разрушения концевых участков лопастей контрпропеллера и пониженная гидродинамическая эффективность на этом режиме.
Кроме того, отрицательно влияет на эксплуатационные качества движителя повышенный момент, необходимый для поворота колонки с работающим контрпропеллером вокруг вертикальной оси при маневрировании судна.
Повышенный уровень вибрации контрпропеллера при работе в реактивном режиме объясняется особенностью радиального распределения шага его лопастей. Лопасть, спроектированная на активный режим (основной по времени эксплуатации, контрпропеллер в этом случае застопорен), в реактивном режиме оказывается неоптимальной по радиальному распределению гидродинамической нагрузки (см. A.R.Togunjac, S.V.Kaprancev Estimation of Hydrodynamic Efficiency of Fishing Vessel's Multipurpose Propulsor. Морской журнал, 2000, 3/4, стр.27-33).
Вследствие увеличения шага к концу лопасти ее периферийные сечения оказываются перегруженными, что является причиной появления интенсивной вихревой и кромочной кавитации. В свою очередь кавитация сопровождается ухудшением эксплуатационных качеств движителя: увеличением вибрации, эрозионным разрушением лопастей (Справочник по теории корабля. 1 Судостроение. Ленинград, 1985 г., стр.538, 555-557).
Неоптимальное радиальное распределение гидродинамической нагрузки лопастей (в реактивном режиме) отрицательно сказывается и на гидродинамической эффективности контрпропеллера. Уменьшение к.п.д. контрпропеллера за счет не оптимальности в этом случае составляет 8÷12% (см. Морской журнал, 2000, 3/4, стр.33).
Повышенный момент на баллере колонки с контрпропеллером при маневрировании обусловлен возникновением поперечной силы на лопастях контрпропеллера при его работе в скошенном потоке (Л.И.Вишневский, А.Р.Тогуняц, В.Е.Красавцев "Оценка эффективности использования винта с подвижным креплением лопастей на винторулевых колонках". Сборник "Безопасность мореплавания и ведения промысла". Выпуск 121, Санкт-Петербург, Судостроение, 2006, с.48-60). Это обстоятельство приводит к необходимости увеличения мощности рулевой машины.
Предлагаемое техническое решение направлено на улучшение эксплуатационных характеристик многофункционального лопастного движительного комплекса, а именно: снижение уровня вибрации контрпропеллера при его работе в реактивном режиме, устранение эрозионного разрушения лопастей контрпропеллера, повышение гидродинамической эффективности контрпропеллера в реактивном режиме, уменьшение поперечной силы, возникающей на контрпропеллере при его повороте и снижение тем самым мощности привода, обеспечивающего его перекладку.
Указанный технический результат достигается тем, что в лопастном движительном комплексе, содержащем гребной винт и расположенный за ним соосно контрпропеллер меньшего диаметра с лопастями регулируемого шага, механизмом поворота последнего вокруг вертикальной оси и механизмом стопорения ступицы контрпропеллера, в отличие от прототипа, каждая из лопастей контрпропеллера выполнена с криволинейной образующей и искривлена таким образом, что ее засасывающая или нагнетающая поверхность на концевом участке лопасти обращена к внешней поверхности ступицы контрпропеллера.
Перечисленные конструктивные особенности в общем случае выполнения комплекса влекут за собой разгрузку периферийных сечений лопастей, так как вектор скорости набегающего потока будет находиться практически в плоскости периферийного участка лопасти контрпропеллера, не создавая угла атаки независимо от установочного угла лопасти. Выбор конкретного варианта искривления концевого участка лопасти (в отношении того, что засасывающая или нагнетающая поверхность лопасти обращены к поверхности ступицы) в сочетании с профилировкой оказывает влияние на кавитационные характеристики (на момент возникновения вихревой и кромочной кавитации). Поэтому в каждом конкретном случае при выборе варианта искривления необходимо учитывать профилировку лопастей контрпропеллера и особенности их взаимодействия с набегающим потоком. Окончательный вариант формы лопасти целесообразно отработать по результатам модельных испытаний в кавитационной трубе.
Одним из конкретных и оптимальных вариантов выполнения изобретения с точки зрения технологии изготовления лопасти является конструкция, при которой криволинейная образующая на концевом участке лопасти расположена по касательной к цилиндрической поверхности с радиусом, равным радиусу контрпропеллера, и осью, совпадающей с осью контрпропеллера (гребного винта).
Лопасти контрпропеллера могут быть закреплены в ступице подвижно с возможностью перемещения их относительно плоскости диска контрпропеллера. Это влечет за собой минимизацию переменной гидродинамической нагрузки, передаваемой на элементы движительного комплекса и уменьшение поперечной гидродинамической силы, препятствующей повороту контрпропеллера в горизонтальной плоскости.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 дан вид сбоку лопастного движительного комплекса, на фиг.2 - вид сверху, а на фиг.3 - вид с кормы в нос.
Примером конкретного выполнения предлагаемого изобретения является движительный комплекс, содержащий гребной винт 1, контрпропеллер 2 с лопастями с криволинейной образующей 3 и валом 4, автономным приводом 5 со стороны вала 4 и механизмом изменения шага лопастей 6, а также механизмом 7 поворота контрпропеллера 2 вокруг вертикальной оси 8.
Криволинейная образующая 9 лопасти 3 обеспечивает ее искривление таким образом, что нагнетающая поверхность на концевом участке лопасти 3 обращена к внешней поверхности ступицы контрпропеллера 2 (фиг.3). Форма криволинейной образующей 9 может быть выбрана таким образом, что она на концевом участке лопасти будет касательна к цилиндрической поверхности с радиусом, равным радиусу контрпропеллера, и с осью, совпадающей с осью контрпропеллера.
Лопастной движительный комплекс работает следующим образом. Для обеспечения полного хода гребной винт 1 приводится во вращение. При этом контрпропеллер 2 используется как активный движитель, для чего вал контрпропеллера 4 со ступицей контрпропеллера 2 стопорится, а его лопасти посредством механизма изменения шага 6 разворачиваются в положение, обеспечивающее максимальную раскрутку реактивной струи за гребным винтом 1. Криволинейная образующая 9 в любом положении лопасти исключает концевой участок лопасти из процесса создания упора, т.е. разгружает его. Это происходит из-за того, что концевые сечения лопасти, благодаря криволинейной образующей, оказываются практически в плоскости годографа вектора набегающего потока. На рассматриваемом режиме гидродинамическая эффективность контрпропеллера вследствие указанного явления уменьшится незначительно, т.к. периферийный участок лопасти контрпропеллера вносит незначительный вклад в создание упора.
Для обеспечения малого хода гребной винт 1 отключается, а контрпропеллер 2 используется как реактивный движитель, для чего его лопасти 3 посредством механизма изменения шага 6 поворачивают до установочного шагового угла малого хода, вал контрпропеллера 4 снимается со стопора, а контрпропеллер 2 приводится во вращение посредством автономного привода 4. При маневрировании судна контрпропеллер 2 поворачивается механизмом поворота контрпропеллера 7 вокруг вертикальной оси 8 на угол α, что обеспечивает создание поперечной составляющей упора движителя. Криволинейная образующая 9 лопасти (как и на активном режиме) разгружает концевой участок лопасти. Для рассматриваемого режима работы это означает, что несмотря на увеличивающийся к периферии шаг лопасти (см. Морской журнал, 2000, 3/4, стр.30, рис.4) на концевом участке лопасти не будут созданы условия для развития интенсивной кавитации (не будет пиков разряжения на засасывающей поверхности периферийной части лопасти, т.к. вектор скорости набегающего потока будет находиться практически в плоскости лопасти гребного винта, не создавая угла атаки). С устранением кавитации снизится уровень вибрации, будут устранены причины эрозионного разрушения лопастей. Разгрузка концевых участков лопастей контрпропеллера приведет к повышению его гидродинамической эффективности, т.к. приблизит радиальное распределение нагрузки к оптимальному (см. Морской журнал, 2000, 3/4, стр.31, рис.5). Применение криволинейной образующей лопасти в конструкциях лопастных движителей (гребных винтов) известно (Brodogradnja 42(1994)4, 357-358; Skipsrevyen, 6/2003, 52). Эти гребные винты получили название по имени автора идеи Каппела (J.J.Kappel). Криволинейная образующая позволяет устранить (или отдалить начало) вихревой и кромочной кавитации в поле скоростей с аксиальной и тангенциальной неоднородностями набегающего потока. Однако в предлагаемом лопастном движительном комплексе криволинейная образующая используется по другому назначению, а именно: устраняет недостаток геометрии лопасти контрпропеллера на реактивном режиме, связанный с ее многофункциональностью, т.е. увеличивающийся к концу лопасти шаг (геометрия у устройства прототипа оптимальна только для активного режима).
Предлагаемый лопастной движительный комплекс предусматривает на режиме малого хода подвижное закрепление лопастей 3 на ступице контрпропеллера 2 с возможностью перемещения их относительно плоскости диска контрпропеллера. С этой целью механизм изменения шага 6 выполнен с дополнительным режимом установки лопастей контрпропеллера 3, при котором они закреплены в ступице подвижно с возможностью перемещения их относительно плоскости диска контрпропеллера. Использование подвижного крепления полезно не только с точки зрения снижения переменной нагрузки, передаваемой на элементы движительного комплекса, но и для уменьшения поперечной силы, препятствующей повороту контрпропеллера 3 вследствие косого потока, натекающего на него (Л.И.Вишневский, Ю.Ф.Оглоблин, А.Р.Тогуняц, А.В.Шляхтенко, А.А.Форст. Судовая движительная колонка типа "поворотная колонка". Патент РФ №2248302 от 11.06.03, Бюл. № 8, 2005 г.). Применение механизма изменения шага 6 с указанным дополнительным режимом установки позволит минимизировать мощность механизма поворота контрпропеллера 7.
Таким образом, заявленный лопастной движительный комплекс позволяет снизить уровень вибрации контрпропеллера при его работе в реактивном режиме, устранить эрозионное разрушение лопастей контрпропеллера, повысить гидродинамическую эффективность контрпропеллера на реактивном режиме, уменьшить поперечную силу, возникающую на контрпропеллере при его повороте и снизить тем самым мощность привода, обеспечивающего его перекладку.