Гребной винт регулируемого шага
CONTROLLABLE PITCH PROPELLER

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано в судовых движителях, а именно в конструкциях гребных винтов регулируемого шага (ГВРШ).
Известен гребной винт фиксированного шага (ГВФШ), включающий гребной вал, ступицу и лопасти, закрепленные на ступице (см., например, А.А. Русецкий, М.М. Жученко, О.В. Дубровин. «Судовые движители». Л.: «Судостроение», 1971 г., стр. 6-9). Гребные винты фиксированного шага обладают большим числом достоинств. Однако основным недостатком данных гребных винтов является то, что они позволяют снимать полную мощность двигателя лишь на одном расчетном режиме, так как проектируются для определенной скорости хода судна при соответствующем этой скорости сопротивлении движению.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является гребной винт регулируемого шага, установленный на гребном валу и включающий ступицу с закрепленными на ней лопастями с обеспечением их поворота относительно ступицы (см., например, П.В. Орехов, B.C. Муругов. «Гребные винты регулируемого шага». Изд. ВИНИТИ, Москва, 1961 г., стр. 67, рис. 73).
В противоположность гребному винту фиксированного шага гребной винт регулируемого шага позволяет использовать наиболее полно мощность двигателя на любых режимах, так как можно привести его шаг в соответствие с любой скоростью хода и тем самым выбрать наиболее выгодный режим работы главного двигателя. Но и ГВРШ имеет свои недостатки по сравнению с ГВФШ. Главный из них - это снижение кпд движителя, связанное с увеличением диаметра ступицы (из-за необходимости размещения в ней механизма поворота лопастей) и подверженность ГВРШ кавитации, так как дисковое отношение этих винтов всегда меньше единицы для обеспечения возможности поворота лопастей при изменении шага.
Цель изобретения - улучшение пропульсивных характеристик гребного винта и повышение его кпд.
Указанная цель достигается тем, что в известном винте регулируемого шага, установленном на гребном валу и включающем ступицу с закрепленными на ней лопастями с обеспечением их поворота относительно ступицы, в нем лопасти выполнены составными и состоящими, по меньшей мере, из двух частей, при этом каждая часть лопасти имеет самостоятельную возможность поворота. При определенном угле поворота частей лопасти путем их совмещения они образуют единую лопасть, а дисковое отношение гребного винта при совмещении частей всех лопастей может достичь диапазона (0,8-1,1). Каждая часть лопасти имеет свою величину площади поверхности, не равную величине площади поверхности другой части лопасти. Оси поворота равных по площади идентичных частей лопастей гребного винта расположены в одной плоскости, перпендикулярной центральной оси гребного вала, а совмещение частей лопасти осуществляется путем беззазорного их замыкания. Образование частей лопасти осуществляется путем рассечения лопасти плоскостью, проходящей под углом к ее поверхности.
В предложенном техническом решении гребной винт с разрезными лопастями совмещает преимущества ГВФС и ГВРШ. В известных ГВРШ при дисковых отношениях свыше 0,75-0,8 (в зависимости от числа лопастей) перекладка лопастей через «ноль» (упор равен нулю) невозможна ввиду интерференции соседних лопастей. В предлагаемом ГВРШ с разрезными лопастями появляется возможность осуществлять перекладку по схеме «конструктивный шаг - ноль - реверс» без контактного взаимодействия соседних лопастей при дисковых отношениях до 1,1. Такое значительное увеличение дискового отношения позволяет повысить реализуемую на винте мощность без возникновения второй стадии кавитации и без необходимости увеличения диаметра винта. Вторым достоинством ГВРШ с разрезными лопастями является возможность уменьшения относительного диаметра ступицы, который у известных ГВРШ составляет 0,26-0,35 против 0,18-0,20 у ГВФШ. Такое уменьшение в предлагаемой конструкции возможно за счет перераспределение нагрузок, приходящихся на одну разрезную лопасть, между двумя заделками, разнесенными вдоль оси винта и по углу. Уменьшение относительного диаметра ступицы способствует улучшению пропульсивных характеристик, приближая их при работе на конструктивном шаге к значениям, характерным для аналогичных ГВФШ.
В предложенном техническом решении лопасти гребного винта выполнены разрезными и могут состоять из двух, трех и более частей, при этом каждая часть лопасти имеет самостоятельную возможность поворота. При определенном угле поворота частей лопасти путем их совмещения за счет беззазорного замыкания они образуют единую лопасть. В этом случае дисковое отношение может находиться в диапазоне (0,8-1,1). Для обеспечения идентичности всех лопастей гребного винта с целью обеспечения его целостности каждая часть лопасти имеет свою величину площади поверхности, не равную величине площади поверхности другой части лопасти, а оси поворота равных по площади частей расположены в одной плоскости, перпендикулярной центральной оси гребного вала. Образование частей лопасти можно осуществлять путем рассечения лопасти как плоскостью, перпендикулярной ее поверхности, так и плоскостью, проходящей под углом к поверхности лопасти. В последнем случае происходит увеличение суммарной поверхности всех частей лопасти, что дополнительно повышает дисковое отношение, и появляется возможность формировать кромки частей лопасти заостренными. Это позволяет обеспечить безударное и безотрывное обтекание этих кромок, что также ведет к улучшению пропульсивных характеристик гребного винта и увеличению его кпд.
Предлагаемая конструкция гребного винта регулируемого шага приведена на фигурах 1, 2 и 3 для случая, когда каждая лопасть состоит из двух частей: передней (большей по площади) и задней. На фигуре 1 показан общий вид ГВРШ, где все части лопастей совмещены и образуют единые лопасти (режим «конструктивный шаг»), на фигуре 2 - общий вид ГВРШ (в изометрии) в режиме «реверс», а на фигуре 3 - вид на лопасть сверху. На фигурах использованы следующие обозначения:
1 - передняя часть лопасти;
2 - задняя часть лопасти;
3 - гребной вал;
4 - ступица гребного винта;
5 - узлы поворота частей лопасти;
6 - стыковочная кромка.
Гребной винт регулируемого шага (фиг. 1) размещен на гребном валу 3 и включает ступицу 4 с закрепленными в ней лопастями, каждая из которых состоит из передней части 1 и задней части 2, то есть все лопасти выполнены составными из двух частей (для данного рассматриваемого варианта). При этом каждая часть имеет самостоятельную возможность поворота при помощи узла поворота 5. На данной фигуре части 1 и 2 совмещены и образуют единые лопасти. В этом случае дисковое отношение гребного винта больше 1,0 и он по своим характеристикам идентичен гребному винту фиксированного шага. Каждая часть лопасти имеет свою площадь поверхности, не равную величине площади поверхности другой части лопасти. Поверхность передней части 1 лопасти больше поверхности задней части 2. Оси узлов поворота 5 равных по площади идентичных частей лопастей гребного винта расположены в одной плоскости, перпендикулярной центральной оси гребного вала 3. Оси узлов поворота 5 передней части 1 лежат в плоскости А, а задней части - в плоскости Б. При повороте частей 1 и 2 лопастей при помощи узлов поворота 5 каждая лопасть превращается в две самостоятельные лопасти (фиг. 2). В зависимости от угла поворота частей гребной винт может работать в различных режимах, обеспечивая и нулевой упор и отрицательный упор (реверс). Представленный на этой фигуре гребной винт работает в режиме «реверс». Беззазорное замыкание передней части 1 и задней части 2 осуществляется по стыковочной кромке 6 (см. фиг. 2, 3), образование которой осуществляется путем рассечения лопасти плоскостью, проходящей под углом α к ее поверхности. Создание стыковочной кромки 6 увеличивает площадь частей лопасти при их повороте и позволяет получить заостренные формы этой кромки с целью обеспечения безударного и безотрывного обтекания этих кромок.
Предлагаемая конструкция гребного винта включает в себя преимущества как гребного винта фиксированного шага, так и гребного винта регулируемого шага: обеспечивается дисковое отношение больше 1,0 и возможность гребного винта работать на различных режимах: с положительным, нулевым или отрицательным упорами. Все это улучшает пропульсивные характеристики гребного винта и повышает его кпд.