ГРЕБНОЙ ВИНТ МНОГОЛОПАСТНОГО ИСПОЛНЕНИЯ

Полезная модель относится к области судостроения и касается вопросов создания гребных винтов (ГВ) для всех типов судов и кораблей.
Известны ГВ, состоящие из ступицы, лопастей с профилированными цилиндрическими сечениями и с плавной формой контура, (см. Вишневский Л.И., Тогуняц А.Р., «Корабельные лопастные движители. Новые технические решения результаты исследования». Судостроение. Санкт-Петербург, 2012 г, стр. 99, рис. 4.13).
Известна также модель ГВ (являющаяся прототипом настоящего предложения, см. фиг. 1), имеющая 9 лопастей с профилем сечений NACA-0016 с саблеобразной формой контура и установленной на концах лопастей круговой обечайкой (см. Вишневский Л.И., Тогуняц А.Р., Гидродинамические аспекты нетрадиционных лопастных движителей). Реноме. Санкт-Петербург, 2020 г, стр. 141, рис. 1, Гл. 5, ISBN 978-5-00125-238-2).
Недостатком этой 9-ти лопастной модели ГВ является то, что количество лопастей винта определялось без учета наиболее полного использования возможностей винта в снижении его виброактивности. Известно, что с ростом числа лопастей ГВ будет уменьшаться влияние неравномерности поля скоростей в диске винта на формирование периодических гидродинамических сил, действующих на лопасти ГВ. С увеличением числа лопастей винта может возникнуть ситуация, когда порядковый номер последнего члена спектрального разложения поля скоростей набегающего на ГВ неравномерного потока окажется равным числу лопастей винта Тогда, если рассмотренная гармоника в поле скоростей будет иметь достаточно малую величину, то влияние неравномерности потока на величину гидродинамических сил, действующих на лопасти ГВ, будет пренебрежимо малым.
Вместе с тем размещение на ступице большого числа лопастей требует увеличения ее диаметра. Это необходимое увеличение диаметра ступицы ведет к потере КПД движителя. Особенно значительные потери величины этого КПД происходят при увеличении относительного размера ступицы более 0,5 (диаметр ступицы/диаметр ГВ). Компромиссным вариантом при увеличении числа лопастей является величина, равная 15. В этом случае относительный размер ступицы, как показывают выполненные проработки, не будет превосходить величину, равную 0,5. Такие решения относительно числа лопастей и диаметра ступицы позволят максимально возможно снизить виброактивность движителя и при этом не вызовут существенной потери его эффективности (КПД). Как известно, от числа лопастей зависит эффективность (КПД) гребного винта. С одной стороны, с увеличением их числа она уменьшается, в частности, из-за увеличения диаметра ступицы. С другой стороны, вследствие увеличения числа лопастей увеличивается эффективность в снижении уровней силового шума движителя, как известно, на лопастных и кратных ей частотах, (см. статью Пинчук А.Н, Коржев В.К, Вишневский Л.И. «Влияние увеличения числа лопастей судового лопастного движителя на его виброактивность при работе в неравномерном поле скоростей за корпусом судна». Санкт-Петербург, Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, Т 11 №2, 2019 г).
Таким образом, принятие решения о числе лопастей ГВ применительно к конкретному судну зависит от его назначения и тех задач, которые должны им решаться. Другими словами, в каждом конкретном случае должен находиться компромисс между эффективностью движителя и уровнями его шумоизлучения.
Опыт и проработки, выполненные применительно к нижним объектам, показали, что число 15 является таким компромиссом. Они показывают (см. Фиг. 5), что увеличение числа лопастей более 15 ведет к неоправданному снижению эффективности движителя и, как следствие, к снижению дальности плавания объекта и к другим неоправданным потерям. При числе лопастей ГВ менее 15 приводит к повышению уровней низкочастотного шума, что приводит к его обнаружению в дальнем поле.
Отмеченное позволяет сделать заключение, что рассмотренный движитель (с увеличенным числом лопастей) может быть использован там, где акустические его качества и низкая вибрационная активность при работе в неравномерном поле скоростей играет исключительно важную роль.
Приведем еще один недостаток обсуждаемого прототипа ГВ, а именно, он связан с оптимизацией характеристик жесткости составной конструкции винт - обечайка, с целью предотвращения возникновения гидроупругих колебаний лопастей и обечайки движителя, а также для повышения частоты вибрации элементов движителя и уменьшения интенсивности его шумоизлучения в широкополосной части спектра.
Отмеченные недостатки приводят к ухудшению гидродинамических и акустических качеств рассматриваемого прототипа. К сказанному следует добавить, что с точки зрения уменьшения виброактивности винта целесообразно увеличивать число лопастей Однако при этом возникающие технологические трудности из-за увеличенного числа лопастей изготовление многолопастных движителей до последнего времени сдерживалось их производством. В настоящее время такие трудности значительно преодолены, а потому открывается перспектива дальнейшего совершенствования гребных винтов за счет увеличения числа лопастей.
С увеличением числа лопастей возникает проблема стыковки достаточно тонких концов лопастей к обечайке, устанавливаемой к концевым сечениям лопастей с целью повысить жесткость движителя, а также возникают трудности с устранением начальных стадий кавитации на концевых сечениях лопастей. Как показали исследования, эти сложности могут быть устранены за счет отработки конструктивных решений лопастей.
Задачи, на решение которых направлена заявленная полезная модель:
- уменьшение нагрузки на отдельную лопасть винта за счет существенного увеличения количества лопастей более или равное 15. Это требование позволит уменьшить виброактивность движителя;
- придание эллипсовидной формы профиля поперечных сечений круговой обечайки, установленной на торцевых сечениях лопастей ГВ, позволит улучшить гидродинамические и кавитационные характеристики движителя;
- увеличение жесткости движителя за счет установки по концевым сечениям лопастей ГВ круговой обечайки будет способствовать уменьшению интенсивности гидроупругих колебаний элементов движителя, повышению их частоты, а также уменьшению интенсивности шумоизлучения движителя в широкополосной части спектра.
Сущность полезной модели поясняется следующим. За прототип был взят ГВ, общий вид которого представлен на Фиг. 1. Общий вид заявляемого ГВ со ступицей 1, лопастями 2 и обечайкой 3 представлен на Фиг. 2. Обратная сторона ГВ и место крепления обтекателя представлена на Фиг. 3. На Фиг. 4 представлены результаты сравнительных испытаний в кавитационной трубе (см. отчет ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Вып.№48367, 2015 г. ). По оси ординат приведены значения уровней шумоизлучения ГВ I дБ, а по оси абсцисс - частота шума ГВ f кГц. Испытания проводились при относительной поступи ГВ, равной J=0,97, числе оборотов ГВ: n=17,5 об/с. На Фиг. 5 представлена зависимость КПД л и снижение уровней шума на лопастной частоте Δf гребного винта от числа лопастей Z.
Работа предлагаемого ГВ происходит следующим образом. Из-за увеличенного числа лопастей ГВ влияние неравномерности набегающего потока на величину периодических гидродинамических сил, действующих на лопасти винта, будет пренебрежимо малым (обоснование этого см. абзац «недостатки ГВ»). Отмеченное обстоятельство будет способствовать снижению виброактивности ГВ и, как следствие, понижению уровней шума ГВ в области низких и средних частот (снижение уровней шума в диапазонах частот 4-19 кГц и 62-80 кГц см. Фиг. 4). Придание профилю поперечного сечения обечайки эллипсовидной формы будет способствовать улучшению гидродинамических и кавитационных характеристик ГВ. Круговая обечайка увеличит жесткость движителя, что приведет к повышению частот его вибрации и уменьшению интенсивности шума ГВ в широкополосной части спектра. Компромиссным вариантом при увеличении числа лопастей является величина, равная 15 (Фиг. 5). В этом случае относительный размер ступицы, как показывают выполненные проработки, не будет превосходить величину, равную 0,5. Такие решения относительно числа лопастей и диаметра ступицы позволят максимально возможно снизить виброактивность движителя и при этом не вызовут существенной потери его эффективности (КПД).