РУЛЕВОЙ КОМПЛЕКС ВОДОМЕТНОГО ДВИЖИТЕЛЯ

Полезная модель относится к судостроению, а именно к конструированию рулевых устройств и их элементов, обеспечивающих изменение направления вектора тяги вентилируемого водометного движителя (ВВД).
Заявляемый рулевой комплекс, предназначенный для работы во взаимодействии с ВВД, позволяет обеспечить размещение движителя в пределах плоскостей транца и днища.
Рассматриваемый рулевой комплекс может эксплуатироваться как в составе одновального судна, так и двухвального, в количестве двух устройств, устанавливаемых за соплом каждого движителя, при минимальных изменениях в конструкции движительно-рулевого комплекса, не затрагивающих сущности полезной модели.
Известны различные устройства для отклонения вектора тяги (реактивной струи), используемые в составе водометных движителей с целью управления судном.
Разновидностью используемых для данной цели устройств являются располагаемые за соплом водометного движителя рулевые устройства с плоскими рулями или рулями, выполненными в виде вертикальных профилированных пластин.
При повороте руля на левый или на правый борт поток воды из сопла движителя попадает на руль и создает на нем управляющую силу.
С целью уменьшения габаритных размеров рулей в вертикальном направлении для уменьшения осадки судна и одновременного достижения необходимых усилий, действующих на плоскость руля и создающих оптимальный управляющий момент, достижения требуемых маневренных характеристик судна, традиционна установка данной разновидности рулевых устройств в струе потока движителя, для которой характерно проявление повышенных вибрационных нагрузок на элементы рулевого устройства и, как следствие, на кормовую оконечность судна.
Это связано с тем, что:
- во-первых, реактивная струя ВВД является неоднородной (представляет собой водяной «канат», резанный в продольном направлении винтовыми воздушными кавернами);
- во-вторых, не обеспечивает равномерного усилия по всей площади плоского пера руля, так как в поперечном сечении является круглой, а в продольном направлении постепенно расширяющейся за срезом сопла «конус» и уменьшающейся по мере удаления от среза сопла (от транца).
Кроме того, поток воды является закрученным, что также отрицательно сказывается на равномерности обтекания плоского пера руля и, соответственно, приводит к повышенной вибрации. При этом амплитуда колебаний увеличивается с увеличением угла перекладки пера руля вследствие увеличения омываемой площади плоского руля.
Использование рулей в потоке отрицательно сказывается на тяге винта при движении прямым курсом.
Другой разновидностью рулевых устройств, используемых во взаимодействии с водометными движителями, являются поворотные насадки различных конструкций.
К ним относятся, в частности, поворотные сопла.
Именно эту группу устройств - устройств того же назначения, реализующих тот же принцип действия, что и заявляемая полезная модель, - поворачивающих формируемую в сопле движителя струю, - уместно рассмотреть в контексте сравнения.
Эффективность таких устройств очень высока. Судно управляется одинаково эффективно как на полном, так и на малом ходу.
Кроме того, струя от гребного винта, попадая в площадь сечения поворотного сопла, оказывается более сглаженной, чем при руле плоской формы, расположенном в струе винта, давление водо-воздушной струи на внутренние стенки поворотного сопла более равномерное, ударные нагрузки ниже вследствие интерференции (взаимного подавления) сдвинутых по фазе пульсаций давления, образующихся от каждой лопасти винта, интенсивность вибрационного воздействия в целом меньше.
При этом некоторые конструктивные особенности таких рулевых комплексов могут являться причиной возникновения дополнительной вибрации. Так, например, наличие характерного для ряда устройств этой группы большого зазора между соплом ВВД и поворотным соплом, необходимого для обеспечения нужного угла поворота сопла для изменения направления реактивной струи движителя, приводит к неравномерности струи при отклонении сопла от нулевого положения и повышенной вибрации рулевого комплекса. Одно из устройств с указанной конструктивной особенностью известно, например, по патенту RU 2169102, (подробнее рассмотрено дальше, в контексте сравнения с заявляемым устройством).
Также необходимо отметить, что вообще для большинства типов водометных движителей характерна повышенная вибрация конструкции, что может заметно проявляться, например, при эксплуатации судна на сильном волнении. Это связано с эпизодическим попаданием воздуха в гидравлическое сечение движителя, и, как следствие, с резкими колебаниями скорости вращения гребного вала.
Другими общими недостатками поворотных сопел рулевых комплексов в составе ВД являются нарушение мнемоники управления на режимах заднего хода, большие габариты и масса рулевых устройств, достигающие 5% и более от водоизмещения судна, сложность конструкции и технологии изготовления поворотного сопла, вызываемая, в частности, наличием элементов, обеспечивающих реверс, вынужденное размещение среза сопла ВД за пределами плоскости транца.
Так, известен рулевой комплекс, входящий в состав водометного движителя, по патенту RU 2169102, МПК В63Н 11/11, опубликовано 20.06.2001, бюллетень №17, содержащий поворотное в горизонтальной плоскости сопло и закрепленную поворотно в вертикальной плоскости на неподвижном корпусе движителя реверсивную отклоняющую заслонку с задней, верхней и боковыми стенками.
Недостатками конструкции аналога, вызванными особенностями взаимного расположения сопла и элемента, обеспечивающего изменение направления реактивной струи, являются:
- необходимость смещения сопла ВВД за пределы плоскости транца в целях обеспечения его перекрытия вдоль оси поворотным соплом большего диаметра и прохождения оси вращения поворотного сопла на расстоянии от среза сопла ВВД по направлению к рабочему колесу;
- необходимость размещения поворотного сопла на значительном расстоянии от среза сопла ВВД с целью обеспечения необходимого угла поворота для изменения направления реактивной струи движителя.
Такое конструктивное исполнение рулевого комплекса не позволяет разместить сопло ВВД в пределах плоскости транца и при его реализации приводит к увеличению габаритных размеров движительно-рулевого комплекса в радиальном направлении и, соответственно, осадки судна. Значительный же зазор между соплом ВВД и поворотным соплом снижает компактность струи при движении прямым курсом (нулевое положение поворотного сопла) и приводит к неравномерности струи при отклонении сопла от нулевого положения.
Снижение компактности струи отрицательно влияет на тяговые характеристики судна при движении прямым курсом. Неравномерность струи при отклонении сопла также снижает упор движителя, что ухудшает маневренные характеристики и приводит к дополнительной вибрации.
Кроме того размещение поворотного сопла на значительном расстоянии от среза сопла ВВД увеличивают габаритные размеры рулевого комплекса в продольном направлении.
В качестве ближайшего аналога заявляемого рулевого комплекса рассмотрено устройство по патенту RU 2174480, МПК В63Н 25/08, В63Н 11/117, опубликовано 10.10.2001, бюллетень №28, содержащее за соплом каждого из двух водометных движителей рули, являющиеся продолжением в корму части обечайки сопла, расположенные со стороны диаметральной плоскости, закрепленные с помощью баллеров и шарниров, приводимые в действие рулевыми приводами, и связанные между собой кинематически посредством тяг, соединяющих румпели.
Признаками известного рулевого комплекса, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются:
- наличие элементов, обеспечивающих изменение направления реактивной струи движителя, выполненных в виде створок округлой формы, расположенных соосно с соплом движителя, на расстоянии от среза сопла;
- аналогичная кинематическая схема, реализующая поворот створок.
Недостатком конструкции данного рулевого комплекса водометного движителя по отношению к заявляемому устройству является наличие только одной створки, используемой в качестве поворотного элемента (в составе движительно-рулевого комплекса каждого борта), следствием чего является невысокая компактность струи, что снижает упор движителя и, соответственно, ухудшает маневренные характеристики судна. Управляющий момент обеспечивается, соответственно, поворотом створки только одного борта, что также отрицательно влияет на маневренные характеристики судна. Также при отказе одного из двигателей (движителей) судно управляется только в одну сторону, что создает угрозу безопасности судна и судоходной обстановки, особенной опасной на узких речных фарватерах.
Главными отличительными признаками заявляемой полезной модели являются:
- расположение створок с обеих сторон сопла движителя;
- створки имеют форму полуколец, формирующих цилиндр, соосный с соплом.
Выходящая из сопла реактивная струя, попадая в рабочее сечение, сформированное двумя створками в форме полуколец, равномерно охватывающих струю по окружности, становится более сглаженной и однородной, давление на поверхность створок распределяется более равномерно, в результате чего снижается интенсивность вибрационных нагрузок на них и на кормовую оконечность судна.
Техническим результатом, обеспечиваемым полезной моделью, является снижение вибрационных нагрузок на рулевой комплекс и кормовую оконечность судна в целом за счет снижения результирующих пульсаций давления от реактивной струи вследствие интерференции по всей площади внутренней поверхности створок.
Достигается большее результирующее усилие, действующее на внутреннюю поверхность створок при их повороте, больший управляющий момент и дополнительный упор, обеспечиваются эффективные маневренные и тяговые характеристики судна, повышается надежность рулевого комплекса и судна в целом.
Заявляемый рулевой комплекс ВВД содержит две полукольцевые створки, расположенные симметрично относительно оси сопла и соосно с ним, два баллера, два румпеля, тягу, обеспечивающую синхронный привод румпелей и поворот баллеров и створок, механический привод, нижнюю опору.
Внутренний диаметр створок равен (1,2-1,6) D винта в отличие от прототипа, где аналогичный диаметр меньше диаметра сопла.
Размер створки в направлении оси сопла равен (0,2-0,4) D винта.
Рули расположены симметрично относительно оси сопла, с отстоянием от его оси в верхней и нижней точке, равном (0,15-0,75) D винта.
Зазор между внутренними поверхностями створок в секторе, образующем округлую поверхность, и внутренней поверхностью сопла составляет (0,13-0,16) D винта. Такая величина зазора позволяет уменьшить трение струи движителя о поверхности створок, что положительно влияет на его КПД.
Расстояние от створок до среза сопла составляет (0,15-0,4) D винта.
Нижняя опора соединяется с обечайкой сопла движителя, представляет собой пластину с ребрами жесткости и подшипником скольжения и служит для восприятия вертикальных и горизонтальных нагрузок, действующих на рулевые створки, возникающих во время движения судна.
Полезная модель иллюстрируется фиг. 1, 2, 3.
Рулевой комплекс содержит механический привод 1 (фиг. 1), шарнирно соединяемый с тягой 2 (фиг. 2), баллеры 3 (фиг. 3) с установленными на них румпелями 4 (фиг. 2) и полукольцевыми створками 5 (фиг. 3), нижнюю опору 6 (фиг. 3).
Работа рулевого комплекса осуществляется следующим образом. При возвратно-поступательном движении штока механического привода 1 создаваемое им усилие, передаваемое на тягу 2 и румпели 4, создает крутящий момент на баллерах 3, обеспечивая поворот полукольцевых створок 5, изменяя направление реактивной струи движителя.
При эксплуатации заявляемого рулевого комплекса в составе двухвального судна, в количестве двух, управляющий момент обеспечивается синхронным поворотом створок рулевых устройств обоих бортов. Работа рулевых комплексов левого и правого бортов обеспечивается индивидуальными механическими приводами, предусматривающими возможность как синхронного, так и асинхронного управления рулевого устройства каждого борта.
Использование заявляемого рулевого комплекса с реализованными в нем конструктивными решениями, касающимися определения геометрических параметров его компоновки, способствует обеспечению низких вибрационных характеристик рулевого комплекса и кормовой части судна, оптимизации массогабаритных характеристик рулевого комплекса, исключению наличия выступающих за нижнюю часть ВД элементов рулевого комплекса и размещению движителя в пределах плоскостей днища и транца, достижению эффективных маневренных характеристик судна.
Заявляемый рулевой комплекс может применяться в составе как одновальной, так и двухвальной энергетической установки судна.