ГРУЗОВОЕ СУДНО С МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ ЛОПАСТНЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ

Полезная модель относится к области судостроения, в частности к конструкциям грузовых судов, оснащенных многофункциональными двухступенчатыми движителями, и может быть использована при проектировании и строительстве грузовых судов различных типов и назначений с улучшенными пропульсивными качествами и повышенными требованиями к надежности пропульсивных установок, а также к управляемости на малых ходах и при швартовке, в том числе транспортных рефрижераторов, сухогрузов, наливных судов, автомобильно-пассажирских паромов и других водных транспортных средств.
Известны суда-аналоги с многофункциональными двухступенчатыми лопастными движителями. Например, грузовое судно (паром), эксплуатирующийся в Японии с 2004 г.(см. Levander О. New Concepts in Ferry Propulsion/Scandinavian Sipping Gazette, September 28, 2007, а также N. Ueda, A. Oshima, T. Unseki, S. Fujita, S. Takeda, T. Kitamura. The First Hybrid CRP-POD Driven Fast ROPAX-Ferry in the World. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Technical Review Vol.41, №6, Dec. 2004). Это грузовое судно оснащено многофункциональным двухступенчатым движителем, получившим название CRP Azipod (Contra rotating propeller, CRP). Движитель вышеуказанного аналога представляет собой комбинацию ВРШ (передняя ступень) и гребного винта колонки Azipod (рулевой колонки с гребным электродвигателем в корпусе гондолы колонки). На режиме полного хода гребной винт колонки типа Azipod и ВРШ работают в режиме соосных гребных винтов противоположного вращения. Колонка Azipod на судне-аналоге обеспечивает многофункциональность, являясь одновременно рулевым устройством и движителем.
Недостатком аналога является повышенная технологическая сложность (передняя ступень - ВРШ, а задняя ступень - движитель CRP Azipod), а также значительные стоимостные затраты на изготовление задней ступени такого движителя по причине пониженной надежности функционирования поворотных колонок и необходимости их дублирования, например, Российский морской регистр судоходства требует устанавливать на судах поворотные колонки в количестве не менее двух (см. Правила классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства, 2010, том 2, часть VII Механические установки, п. 7.1.2.).
Кроме того, компоновка передней и задней ступеней лопастного движителя судна при их соосном расположении не обеспечивает плавного обтекания их ступиц и лопастей, особенно лопастей задней ступени движителя, в т.ч. из-за конструктивного зазора, увеличивающегося по радиусу между кормовым обтекателем конической формы передней ступени движителя и носового обтекателя конической формы задней ступени движителя. Сложная структура потока между ступенями движителя на малых радиусах (не превышающих радиус ступицы передней ступени движителя) отрицательно сказывается на эксплуатационных качествах движителя, особенно на малых ходах: повышается виброактивность, снижается гидродинамическая эффективность, увеличивается уровень подводного шума. Основные режимы работы этого движителя не предусматривают раздельную работу его ступеней.
Наиболее близким техническим решением к заявленному по своему назначению, конструкции и общей компоновке, принятым за ближайший аналог (прототип) полезной модели, является «Грузовое судно с многофункциональным двухступенчатым лопастным движителем» (см. описание к патенту №120626 на полезную модель; кл.: B63H 1/14, 1/28, 5/00; B63B 25/00; опубликовано 27.09.2012 г.). Указанное грузовое судно оснащено движителем, передняя ступень которого - гребной винт, а задняя ступень выполнена в виде двухрежимного контрпропеллера (с возможностью поворота вокруг вертикальной оси) с механизмом изменения его шага, размещенным в ступице и/или в кормовом обтекателе контрпропеллера. Контрпропеллер на судне-прототипе обеспечивает многофункциональность движителя, являясь энергосберегающим устройством на полном ходу судна в виде неподвижного контрпропеллера или гребным винтом поворотной колонки при маневрировании и/или швартовке судна.
Недостатком ближайшего аналога (прототипа) является негативное влияние передней ступени движителя в составе гребного винта при движении судна малым ходом от упора контрпропеллера, работающего в реактивном режиме (т.е. в качестве классического гребного винта), выражающееся в повышении сопротивления движению судна. Повышение сопротивления воды движению судна возникает из-за вращения гребного винта (он работает в турбинном режиме). Кроме того, неоднородное поле скоростей от гребного винта на этом режиме отрицательно влияет на гидродинамические характеристики контрпропеллера, увеличивая периодические силы на его лопастях и, следовательно, создавая условия для интенсивной вибрации элементов движителя.
Кроме того, передняя ступень многофункционального движителя судна-прототипа подвержена действию периодических сил, в следствие неоднородности набегающего потока за корпусом судна, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик судна, в частности к повышенному уровню вибрации.
На грузовые суда в качестве главного двигателя чаще всего устанавливают судовую дизельную установку (дизель). В этом случае, на судне-прототипе из-за невозможности изменения шага гребного винта в составе передней ступени движителя, согласование винтовой характеристики гребного винта и внешней характеристики дизеля будет выполняться только на проектном режиме. На иных режимах пропульсивная установка будет работать неэффективно вследствие «утяжеления» или «облегчения» гребного винта, т.е. не будет использоваться полная мощность дизеля. В тоже время на многих грузовых судах, в частности на транспортных рефрижераторах, эксплуатационные нагрузки изменяются в весьма широком диапазоне и энергетические потери из-за несогласованности винтовой характеристики гребного винта и внешней характеристики дизеля могут быть очень значительными.
Предлагаемое техническое решение направлено на улучшение эксплуатационных характеристик судна, а именно: улучшение пропульсивных качеств судна при его движении под действием задней ступени движителя, уменьшение периодических нагрузок на лопастях задней и передней ступеней движителя, использование полной мощности главного двигателя - дизельной установки на непроектных режимах.
Это достигается тем, что в предлагаемом грузовом судне с многофункциональным двухступенчатым лопастным движителем, содержащим корпус с пропульсивной установкой, грузовыми отсеками и устройствами, а также две автономные передачи мощности от двигателей посредством вала на переднюю ступень в составе гребного винта и заднюю ступень движителя, выполненную в виде двухрежимного контрпропеллера с механизмом изменения шага последнего (контрпропеллера), при этом механизм изменения шага размещен в ступице и/или кормовом обтекателе контрпропеллера, в отличие от ближайшего аналога-прототипа, пропульсивная установка дополнительно снабжена механизмом стопорения вала передней ступени движителя.
Таким образом, улучшение пропульсивных качеств судна достигается тем, что на режиме малого хода (аварийного хода) под действием контрпропеллера (задней ступени двигателя) передняя ступень движителя (гребной винт) оснащена механизмом стопорения вала. Предотвращение вращения гребного винта в турбинном режиме уменьшает сопротивление воды движению судна.
Кроме того, улучшение гидродинамических условий обтекания лопастей контрпропеллера (задней ступени движителя) при его работе в реактивном режиме достигается тем, что гребной винт (передняя ступень движителя) оснащена механизмом поворота лопастей во флюгерное положение и их фиксации в этом положении. Поворот лопастей контрпропеллера во флюгерное положение (т.е. вдоль направления потока) уменьшает сопротивление застопоренного винта, а также уменьшает неоднородность потока, натекающего на лопасти контрпропеллера и, следовательно, приводит к минимизации периодических сил на лопастях контрпропеллера и устранению условий для возникновения вибрации.
Поставленная цель в отношении возможности использования полной мощности дизеля на непроектных режимах достигается выполнением передней ступени движителя в виде гребного винта с подвижным креплением лопастей в ступице с возможностью их перемещения путем поворота вокруг оси, проходящей через корневую часть лопасти или смещения вдоль этой оси. Шаг лопасти устанавливается из условия равенства моментов от гидродинамической силы и центробежной силы. В зависимости от режима работы движителя положение лопастей (шага лопастей) на ступице будет разным, что приводит к изменению гидродинамических характеристик, обеспечивая соответствие винтовой характеристики гребного винта и внешней характеристики дизеля (см. Вишневский Л.И., Тогуняц А.Р. "Корабельные лопастные движители: Новые технические решения, результаты исследований", Судостроение, Санкт-Петербург, 2012 г. Часть 1, Глава 2, Часть II §4.4).
Уменьшение периодических нагрузок на лопастях передней ступени движителя также достигается подвижным креплением лопастей в ступице. При работе в неравномерном потоке за корпусом судна на каждой лопасти возникают переменные гидродинамические нагрузки и лопасть начинает колебаться, при этом в качестве восстанавливающих сил выступают силы инерции. В результате переменные гидродинамические силы в значительной степени компенсируются инерционными силами и на элементы движителя не передаются.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, на котором схематично изображен вид сбоку кормовой оконечности грузового судна с многофункциональным двухступенчатым лопастным движителем.
Примером конкретного выполнения предлагаемой полезной модели является грузовое судно, например транспортный рефрижератор, содержащее корпус с пропульсивной установкой 1, грузовой трюм 2, автономную передачу мощности посредством горизонтального вала 3 от двигателя (дизеля) 4 на переднюю ступень (гребной винт) 5 лопастного движителя, автономную передачу мощности посредством вертикального вала 6 от второго автономного двигателя 7 на заднюю ступень лопастного движителя, выполненную в виде двухрежимного контрпропеллера 8. В ступице контрпропеллера 8 и/или в его кормовом обтекателе 9 размещен механизм изменения шага 10, например шестереночного типа, а также устройство стопорения вала 6 контрпропеллера (на чертеже не показано).
Контрпропеллер (задняя ступень лопастного движителя) 8 установлен на неподвижном (относительно корпуса с пропульсивной установкой 1) кронштейне 11, к которому крепится перо руля 12, и оснащен механизмом его поворота 13 относительно вертикальной оси 14.
Пропульсивная установка дополнительно снабжена механизмом стопорения 15 горизонтального вала 3 передней ступени движителя -гребного винта 5. Передняя ступень движителя в составе гребного винта 5 оснащена механизмом поворота его лопастей во флюгерное положение (на чертеже не показано) и выполнена с подвижным креплением лопастей 16. Механизм стопорения 15 может быть выполнен любой известной конструкции, например механического типа с приводом в составе втулки со штифтом и вилки или шестереночного исполнения.
Грузовое судно с многофункциональным двухступенчатым движителем работает следующим образом.
Для обеспечения полного хода судна передняя ступень лопастного движителя в составе гребного винта 5 приводится во вращение посредством передачи мощности посредством вала 3 от двигателя 4, размещенного в корпусе с пропульсивной установкой 1. При этом контрпропеллер 8 и его ступица стопорятся, а его лопасти посредством механизма изменения шага 10 разворачивают в положение, обеспечивающее максимальную раскрутку реактивной струи за передней ступенью лопастного движителя (гребным винтом 5).
Для обеспечения малого хода (аварийного хода), а также предельно малого хода и маневрирования, передняя ступень (гребной винт) 5 отключается от двигателя 4, а вал 3 передней ступени движителя стопорится посредством механизма стопорения 15. После этой операции подвижно установленные лопасти 16 гребного винта 5 механизмом поворота (на чертеже не показан) лопастей во флюгерное положение их устанавливают в соответствующую позицию - флюгерное положение. Затем контрпропеллер 8 используется как реактивный движитель, для чего его лопасти посредством механизма изменения шага 10 поворачивают до установочного шагового угла малого хода, вал контрпропеллера снимается со стопора, а контрпропеллер 8 приводится во вращение посредством автономной передачи мощности 6 от двигателя 7. При маневрировании судна контрпропеллер 8 поворачивается механизмом поворота 13 контрпропеллера 8 вокруг вертикальной оси 14, что создает поперечную составляющую упора движителя. Задняя ступень движителя - контрпропеллер 8 в случае выхода из строя двигателя 4 (главного двигателя судна) и рулевого устройства с рулем 12, благодаря наличию автономной передачи с валом 6 и двигателя 7 обеспечивает судну аварийный ход и управляемость, что значительно повышает безопасность судна и служит гарантией исключения всех последствий потери хода судном в море, в том числе потери остойчивости, выброса на мелководье (берег) и загрязнения морской среды.
На режиме полного хода подвижное крепление лопастей 16 обеспечивает согласование винтовой характеристики гребного винта 5 и внешней характеристики двигателя 4 (дизельного двигателя), что позволяет использовать полную мощность двигателя 4 на переменных режимах работы (например, для транспортных рефрижераторов рыбопромыслового флота, в основном работающих на переменных осадках корпуса).
Кроме того, подвижное крепление лопастей 16 обеспечивает компенсацию переменных гидродинамических сил, действующих на лопасть, инерционными силами, что приводит к минимизации вибрации движителя.
Таким образом, заявленная полезная модель - грузовое судно с многофункциональным двухступенчатым лопастным движителем позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики судна, причем в случае достижения скорости судна 6 узлов под действием задней ступени движителя (которая в составе с автономным двигателем и передачей мощности от него на контрпропеллер представляет собой альтернативную пропульсивную установку судна) в подтверждение высокой степени эффективности и эксплуатационной надежности в отношении предложенной конструкции судна позволяет получить дополнительный знак символа класса, характеризующий степень резервирования пропульсивной установки (см. Правила Российского морского регистра судоходства классификации и постройки морских судов. Т. 3 8. Требования по резервированию пропульсивной установки. 2014).