ГРЕБНОЙ ВИНТ ВИНТО-РУЛЕВОЙ КОЛОНКИ ВОДНОГО СУДНА И ВИНТО-РУЛЕВАЯ КОЛОНКА С УКАЗАННЫМ ГРЕБНЫМ ВИНТОМ
SCREW PROPELLER OF SCREW-STEERING COLUMN OF WATER VESSEL AND SCREW-STEERING COLUMN WITH SAID SCREW PROPELLER

Настоящее изобретение относится к области судостроения, а именно к гребному винту винто-рулевой колонки водного судна, в частности судна ледового класса, обеспечивающей движение как носом, так и кормой вперед в ледовых условиях на режимах ледопроходимости, а также маневрирование судна, и к винто-рулевой колонке с указанным гребным винтом.
Винто-рулевая колонка (ВРК) содержит подвижную часть (камеру, состоящую из гондолы, закрепленной на обтекаемой стойке), которая расположена вне основного корпуса судна и в которой в подшипниках установлен гребной двигатель, как правило электрический. Вал двигателя либо непосредственно, либо через соответствующую зубчатую передачу, выполняет функции вала привода тянущего гребного винта (гребного вала или валопровода). На гребном валу снаружи камеры, как правило на коническом хвостовике вала, закреплен гребной винт, служащий для преобразования энергии двигателя в поток воды, приводящий судно в движение, и для измельчения больших кусков льда при движении в ледовых условиях кормой вперед (суда двойного действия). Упомянутая подвижная часть ВРК установлена на корпусе судна с использованием поворотного подшипника, обеспечивающего возможность её поворота вокруг оси вращения, ориентация которой, как правило, близка к вертикальной, и соединенного с поворотным механизмом, обеспечивающим необходимый крутящий момент для поворота подвижной части ВРК на требуемый угол вокруг оси поворота.
Одним из наиболее известных примеров установок описанного типа является ВРК, выпускаемая шведско-швейцарским объединением АВВ Group под торговым наименованием Azipod. Винто-рулевые колонки этого типа устанавливаются, в частности, на круизные лайнеры (например, класса Oasis), ледоколы (Юрий Топчев), ледовые суда двойного действия (газовоз «Christophe de Margerie») и т.д.
При эксплуатации судна, оснащенного ВРК, в ледовых условиях, на подвижную часть ВРК и гребной винт действуют значительные ледовые и гидродинамические нагрузки, которые, при обычных эксплуатационных условиях, не должны приводить к поломкам и нарушениям в работе как самого гребного винта, так и ВРК в целом, а при предельных ледовых нагрузках, действующих на гребной винт, повреждение лопасти гребного винта должно предотвращать возможные поломки остальных компонентов ВРК.
Известно морское судно, предназначенное для работы в льдистых водах, содержащее винто-рулевую колонку (азимутальное подруливающее устройство) с гребным винтом и втулкой для гребного винта (патент РФ 2584038 С2, 20.05.2016). Втулка выполнена в виде режущего элемента и проходит за пределы плоскости вращения винта так, что если втулка сталкивается с глыбой льда, то она разламывает ее раньше, чем остальной гребной винт столкнется с упомянутой глыбой. Таким образом, в данном техническом решении снижается действие ледовых нагрузок на гребной винт при осевом взаимодействии гребного винта с погруженной до уровня обтекателя или более глубоко глыбой льда.
Основным недостатком указанного решения является его неэффективность при боковом взаимодействии гребного винта со льдом и ударе лопастей об фрагменты льда, которые расположены вне зоны действия режущих элементов втулки винта.
Известен гребной винт судна ледового плавания, являющийся наиболее близким аналогом заявленного изобретения, содержащий ступицу винта и разъемно закрепленные на ступице фланцы лопасти, на каждой из которых расположена по меньшей мере одна цельная лопасть, причем по меньшей мере на одном фланце лопасти расположены по меньшей мере две цельные лопасти (ЕР 2993120 А1, 09.03.2016). Таким образом, гребной винт имеет не четыре лопасти, а шесть, при этом каждая отдельная лопасть выполняется более узкой и более тонкой, т.е. предельная величины силы, вызывающей повреждение одной лопасти, уменьшается при сохранении необходимых прочностных свойств гребного винта в целом.
Недостатком известного гребного винта является существенное усложнение его конструкции, трудности при изготовлении сдвоенной лопасти, а также удорожание стоимости ремонта из-за необходимости замены сдвоенных лопастей, имеющих общий фланец, при повреждении только одной из них. Указанные обстоятельства приводят к отсутствию упомянутого известного гребного винта в реализованных конструкциях ВРК.
Необходимым условием для обеспечения работоспособности подвижной части ВРК и гребного винта является их проектирование с учетом так называемого принципа «пирамидальной прочности», согласно которому повреждение лопасти гребного винта не должно привести к какому-либо значительному повреждению других элементов ВРК и судна. На практике, применение данного принципа означает, что все элементы конструкции, входящие в силовую схему, начиная от гребного винта и заканчивая узлом крепления поворотного механизма к корпусу судна, должны сохранять работоспособность при воздействии на гребной винт «силы поломки лопасти» - предельной величины силы, вызывающей повреждение лопасти (англ. Blade Failure Load - BFL). Под повреждением лопасти гребного винта понимается недопустимый отгиб лопасти в результате пластической деформации материала или разделение лопасти на отдельные части (разрушение лопасти).
Обычно, повреждение лопасти является результатом ее взаимодействия со льдом, и соответствующая методика расчета силы поломки лопасти регламентируется в нормативных документах Морского Регистра и других классификационных обществ (DNV-GL, IACS).
При проектировании ВРК толщины, прочность и жесткость входящих в силовую схему «пирамидальной прочности» элементов должны обеспечивать необходимые запасы прочности и минимальные зазоры между роторными и статорными поверхностями, обеспечивающие отсутствие повреждений элементов ВРК в момент поломки лопасти и нормальное функционирование ВРК после замены поврежденной лопасти. Завышение величины силы поломки лопасти при проектировании ВРК будет приводить к неоправданному увеличению толщин и жесткости силовых элементов и соответствующему удорожанию конструкции при производстве.
Техническая проблема настоящего изобретения состоит в уменьшении проектной величины силы поломки лопасти при выполнении всех требований Морского Регистра по прочности гребного винта.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в снижении массы ВРК и, следовательно, ее стоимости.
Указанный технический результат достигается тем, что гребной винт винто-рулевой колонки водного судна для установки на гребном валу содержит ступицу винта, выполненную с возможностью жесткого закрепления на коническом хвостовике гребного вала, и лопастей гребного винта, каждая из которых содержит изготовленные за одно целое перо лопасти и фланец лопасти, установленные на ступице винта, при этом перо лопасти переходит во фланец лопасти посредством галтельного сопряжения, образующего наиболее слабый участок для возможного разрушения лопасти в сечении ее пера, непосредственно примыкающем к галтельному сопряжению, причем внешняя поверхность фланца лопасти имеет в меридиональном сечении вогнутый в направлении оси винта профиль для уменьшения расстояния от указанного сечения пера лопасти до оси винта.
Известно, что величина силы поломки лопасти зависит от толщины сечения пера лопасти в месте начала галтельного перехода к фланцу и расстояния от указанного сечения до оси винта, а также от механических свойств материала лопасти.
Минимальные значения толщин сечений лопасти и радиусы галтельного сопряжения определяются в соответствии с действующими правилами Морского Регистра, также, как и относительный радиус, на котором прикладывается нагрузка на винт при расчете величины силы поломки лопасти. При этом лопасти гребного винта ледового класса, как правило, изготавливаются из ограниченного ассортимента специальных нержавеющих литейных сталей с определенными механическими свойствами.
Выполнение внешней поверхности фланца лопасти в меридиональном сечении с вогнутым в направлении оси винта профилем для уменьшения расстояния от указанного сечения пера лопасти до оси винта обеспечивает увеличение плеча силы поломки лопасти по сравнению с традиционным коническим профилем и, соответственно, более коротким плечом упомянутой силы, что, в свою очередь, приводит к уменьшению проектной величины силы поломки лопасти при одновременном выполнении всех требований Морского Регистра по прочности гребного винта. Таким образом, нагрузки, действующие на другие элементы ВРК при пластическом изгибе и/или повреждении лопасти гребного винта, снижаются, позволяя, в свою очередь, снизить массу винто-рулевой колонки и, следовательно, ее стоимость. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены конкретные примеры осуществления изобретения.
В частности, сечение перехода пера лопасти во фланец расположено на расстоянии от оси винта меньшем, чем расстояние от точки пересечения оси вала гребного винта до прямой линии, расположенной в меридиональном сечении гребного винта и соединяющей крайние наружные радиусы фланца лопасти винта, что обеспечивает указанное выше уменьшение расстояния от наислабейшего сечения профиля до оси винта, по сравнению с традиционным коническим профилем.
Согласно изобретению, фланец лопасти винта в меридиональном сечении имеет гидродинамический профиль, образованный кривыми линиями и/или плавно сопряженными коническими участками, имеющий вогнутую в направлении оси винта форму, что и приводит к указанному выше уменьшению расстояния от сечения перехода до оси винта.
Конструкция гребного винта, как правило, выполняется сборной, со съемными лопастями, что позволяет сравнительно просто производить замену отдельной лопасти в случае её повреждения при сохранении работоспособности всех остальных компонентов ВРК. Однако, может быть также предусмотрено, что все лопасти гребного винта выполнены за одно целое со ступицей, образуя цельнолитой гребной винт. Указанное выше изменение формы фланца лопасти для уменьшения проектной величины силы поломки лопасти, также применимо и к изменению формы ступицы в случае цельнолитого гребного винта.
Изобретение также относится к винто-рулевой колонке водного судна, содержащей гондолу винто-рулевой колонки, описанный выше гребной винт с обтекателем ступицы винта и проставку-обтекатель, расположенную между гребным винтом и гондолой винто-рулевой колонки.
Изобретение поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - винто-рулевая колонка;
на фиг. 2 - меридиональное сечение втулки гребного винта;
на фиг. 3 - сечение сборного гребного винта.
Одинаковые конструктивные элементы на различных фигурах обозначены одинаковыми позициями.
На фиг. 1 представлена винто-рулевая колонка 1, закрепляемая на корпусе 2 судна с помощью узла 10 крепления и опорно-поворотного подшипника 11, представляющая собой камеру, состоящую из гондолы 13, закрепленной на стойке 12, с размещенным внутри гребным электродвигателем 15 с гребным валом 20. Гребной вал 20 имеет конический хвостовик 21, на котором снаружи гондолы закреплен тянущий гребной винт 22.
На гребном валу 20 расположены два подшипника 41, 42, служащие для поддержания вала 20 гребного электродвигателя 15 и передачи упора (тяги) с винта 22 на корпус ВРК.
Гребной винт 22 содержит ступицу 33 винта, выполненную с возможностью жесткого закрепления на коническом хвостовике 21 гребного вала 20, лопасти 30 гребного винта, состоящие из изготовленных за одно целое пера 31 лопасти и фланца 32 лопасти, установленные на ступице винта 33, и обтекатель 34 втулки гребного винта.
Гондола 13 винто-рулевой колонки и гребной винт 22 соединены между собой проставкой-обтекателем 14.
На фиг. 2 показано меридиональное сечение втулки гребного винта вместе со схемой расчета на прочность лопасти гребного винта от действия «силы поломки лопасти» или BFL.
Внешняя поверхность фланца 32 лопасти имеет в меридиональном сечении вогнутый в направлении оси 50 винта профиль, обозначенный позицией 52.
В соответствии с правилами классификации и постройки морских судов, нагрузка BFL 71 прилагается на расстоянии 72 от оси винта, также называемом радиусом, соответствующем R_BFL=0,8R в наиболее слабом направлении силы поломки лопасти. Расчет несущей способности лопасти производится от действия изгибающего момента силы BFL 71 для сечения 62 перехода пера 31 лопасти во фланец 32, которое является наислабейшим за пределами галтельного перехода  пера 31 лопасти к фланцу 32 лопасти. Как правило, это сечение находится в зоне примыкания галтели 64 к профилю 61 лопасти. Галтель с другой относительно осевой линия 51 лопасти гребного винта стороны профиля 61 лопасти обозначена позицией 65. Разница между радиусом приложения силы BFL и радиусом расположения наислабейшего сечения за пределом галтельного перехода определяет плечо 73 действия силы BFL М_64 и, соответственно, величину изгибающего момента в расчетном сечении, являющегося произведением силы BFL 71 на плечо 73 силы М_64.
В соответствии с нормами, расчет силы поломки лопасти , кН, производится по формуле:
, где
,
и  - определенные максимальные значения предела прочности и предела текучести материала лопасти;
D, c, t, и r - соответственно, диаметр винта, фактические длина хорды, толщина и радиус цилиндрического корневого сечения лопасти в наислабейшей части за пределами галтельного перехода, определенные в результате проектирования гребного винта; как правило это сечение находится в зоне примыкания галтели к профилю лопасти.
Как видно из формулы расчета силы, при выбранном материале и определенной форме (геометрии) лопасти 30, величина силы поломки лопасти, прикладываемой на радиусе 0,8R, в основном будет определяться радиусом расположения наислабейшего сечения за пределом галтельного перехода пера 31 лопасти к фланцу 32 лопасти, или, другими словами, плечом 73 действия силы BFL.
Также на фиг. 2 показано, что расчетное сечение 62 перехода пера 31 лопасти во фланец 32 расположено на расстоянии R от оси 50 винта меньшем, чем расстояние R_53 от точки пересечения оси 50 винта и прямой линии 53, расположенной в меридиональном сечении гребного винта 22 и соединяющей крайние наружные радиусы R1, R2 фланца 32 лопасти винта.
Использование вогнутого профиля 52 ступицы обеспечивает увеличение плеча 73 силы BFL по сравнению с традиционной конической образующей 53 ступицы и, соответственно, более коротким плечом 74. Галтели сопряжения пера 31 лопасти во фланец 32 лопасти конической ступицы обозначены позициями 66 и 67. Как следствие, изгибающий момент, вызывающий разрушение пера 31 лопасти, при использовании вогнутой формы 52 ступицы, достигает предельной расчетной величины при меньшем значении силы 71 поломки лопасти, чем в случае применения прямолинейной конической формы 53.
Это обеспечивает уменьшение проектной величины силы поломки лопасти, при одновременном выполнении всех требований Морского Регистра по прочности гребного винта, тем самым, в соответствии с принципом пирамидальной прочности, снижая нагрузки, действующие на другие элементы ВРК, при пластическом изгибе (повреждении) лопасти гребного винта 30.
На фиг. 3 показана конструкция сборного гребного винта ВРК, которая обычно применяется для судов ледовых классов. Как правило, сборный гребной винт состоит из лопастей 30, образованных пером 31 лопасти и фланцем 32 лопасти. Указанные лопасти 30 присоединяются к ступице 33 винта посредством болтов 81, установленных в колодцах 69 фланца 32 лопасти, глубина которых выбирается из условия отсутствия выступающих из фланца 32 лопасти элементов стопорения болтов 81 крепления лопасти гребного винта.
Диаметр гребного вала 20 и длина конической части 21 вала, как правило, назначаются из условия передачи максимального крутящего момента от гребного электродвигателя к винту ВРК. При этом посадка ступицы 33 на участок 21 вала производится с натягом, и толщина ступицы 33 назначается из условия обеспечения необходимой величины натяга и прочности ступицы, включая также резьбовые гнезда под болты 81крепления лопасти.
Минимальная толщина фланца 32 лопасти гребного винта назначается из условия достаточности материала под головкой болтов 81 для надежного крепления лопасти 30 к ступице 33, а также минимальной глубины колодцев 69, необходимой для обеспечения условия, что выступающие деталей стопорения болтов 81 крепления лопасти гребного винта утоплены в фланец лопасти 32.
При обеспечении указанных выше конструктивных ограничений, расположение наислабейшего сечения, показанного на фиг. 2, за пределом галтельного перехода пера 31 лопасти к фланцу 32 лопасти будет определяться формой образующей фланца (втулки) гребного винта. Как видно из фиг. 2, при одном и том же значении радиуса передней кромки втулки R1, использование вогнутой формы образующей 52 дает возможность получить расположение указанного наислабейшего сечения на меньшем радиусе, чем при традиционном коническом профиле 53.
Это приводит к уменьшению проектной величины силы поломки лопасти по сравнению с традиционной формой фланца лопасти сборного гребного винта, тем самым, в соответствии с принципом пирамидальной прочности, снижая нагрузки, действующие на другие элементы ВРК при повреждении лопасти гребного винта 30 до величин, обеспечивающих отсутствие повреждений элементов ВРК при работе в ледовых условиях.