ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВАЯ КОЛОНКА
PROPULSION-STEERING COLUMN

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано при создании судовых движительно-рулевых комплексов для пространственного перемещения объектов при одновременном обеспечении их управляемости. Отличительной особенностью предложения является конструкция судовых электрических движителей системы электродвижения судна, которая может быть использована при проектировании и строительстве судов различного назначения.
Известно устройство движительно-рулевой колонки (Движительно-рулевая колонка, МПК В63Н 25/08, В63Н1, патент RU 2489310, дата подачи 18.11.2011, Лавренюк Михаил Михайлович, Якубов Гаяр Измайлович, Васильев Валентин Федорович, Петров Артем Владимирович) содержащая баллер, гондолу, гребной винт и механизм поворота колонки. Баллер в верхней части соединен с корпусом через опорный шар, а в нижней части - через упорную тарелку. На упорной тарелке закреплены упругие катки. Достоинством такой конструкции является повышение работоспособности колонки в условиях экстремальной нагрузки и улучшения ее массо-габаритных характеристик.
Недостатками известного устройства является сложная кинематическая передача, наличие большого числа опорных и упорных подшипников.
Известно устройство судового движительно-рулевого комплекса (Судовой движительно-рулевой комплекс, МПК В63Н 5/125, патент RU 2276039, 04.10.2004, Кеслер Анатолий Александрович), содержащего трубу, жестко связанную с корпусом судна, и закрепленного на трубе поворотного пропульсивного блока, включающего гондолу с двумя винтами - тянущим и толкающим. Технический результат такой конструкции обеспечивает повышение надежности крепления движителя и расширение эксплуатационных возможностей комплекса, а также повышение эффективности ее работы за счет тянущего и толкающего гребных винтов.
Недостатками известного устройства является сложная кинематическая передача механической энергии от источника к движителю.
Известно устройство судовой движительно-двигательной установки типа "поворотная колонка" (журнал "NAVIGATOR", Международный морской журнал №2/94, стр. 8, фото движитель типа "AZIPOD"), содержащая заключенный в герметичный обтекаемый кожух приводной электродвигатель и соединенный с ним посредством вала гребной винт. Причем кожух установлен с возможностью поворота в горизонтальной плоскости. Достоинством такой конструкции является прямая передача механической энергии от гребного электродвигателя на гребной винт.
Недостатком известного устройства является пониженный КПД установки вследствие гидродинамических потерь на корпусе обтекателя ступицы гребного винта.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа судовая двигательно-движительная установка (Судовая двигательно-движительная установка, МПК В63Н 20/00, В63Н 23/24, патент RU 2519590, дата подачи 02.08.2012, дата публикации 20.06.2014, Андрюшин А.В., Глеклер Е.А., Григорьев А.В., Суслов А.Н., Тарица Г.В., Штрамбранд В.И.) содержащая полноповоротную водообтекаемую гондолу, установленную на днище судна посредством полого ствола, внутри гондолы установлены два гребных электродвигателя, валы гребных электродвигателей расположены в горизонтальном положении на одной оси, на выходных валах гребных электродвигателей закреплены тянущий и толкающий гребные винты. Достоинствами такой конструкции является повышенный КПД установки вследствие работы обоих винтов, а также факт размещения электродвигателя в герметичном обтекаемом кожухе поворотной колонки, что увеличивает полезный объем внутри прочного корпуса судна.
Недостатками прототипа являются большие гидродинамические потери на корпусе гондолы винто-рулевой колонки, необходимость обеспечения герметичности гондолы и организацию такого сложного узла как дейдвуд. К недостаткам известного судового электрического движителя так же следует отнести наличие подшипниковых щитов и упорных поверхностей для размещения гребного электродвигателя, а также проблемы, возникающие с отводом тепла от статора и ротора гребных электродвигателей, расположенных в гондоле. К недостаткам известной судовой двигательно-движительной установки так же следует отнести использование униполярных электрических машин, которые, как правило, имеют низкое рабочее напряжение и как следствие значительные токовые нагрузки при реализации движительной установки на большую мощность.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы при движении и маневрировании судна, повышение надежности, а также улучшение массо-габаритных, вибро-шумовых и эксплуатационных характеристик движительно-рулевой колонки. В предложенной движительно-рулевой колонке удалось конструктивно совместить гребной винт и гребной электродвигатель с исключением элементов выполняющих одни и те же функциональные назначения. В конструкции гребных электродвигателей удалось улучшить охлаждение, а также исключить станину, подшипниковые щиты и прочие крепежные элементы. Благодаря использованию предложенной конструкции движительно-рулевой колонки удалось значительно сократить размеры лопастей винта, увеличив их количество и тем самым снизить номинальную частоту вращения гребных электродвигателей а, следовательно, улучшить вибро-шумовые характеристики.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в движительно-рулевой колонке, содержащей полноповоротную водообтекаемую гондолу цилиндрической конструкции, установленную на днище судна посредством вертикально установленного полого ствола, два гребных электродвигателя и два гребных винта, предусмотрены следующие отличия: гондола имеет сквозное внутреннее отверстие, выполненное вдоль и расположенное горизонтально, каждый из двух гребных винтов конструктивно выполнен на ступице большого диаметра, на внешней поверхности которой расположены многочисленные лопасти гребного винта, гребные винты со ступицами расположены на наружных цилиндрических поверхностях гондолы симметрично относительно вертикально установленного полого ствола, а гребные электродвигатели выполнены обращенными и без станины, расположенные между внешней частью гондолы и внутренней частью ступицы гребного винта, магнитопровод статора каждого из гребных электродвигателей закреплен с наружной стороны гондолы, зубцы магнитопровода статора расположены снаружи, обмотка статора каждого гребного электродвигателя заложена в пазы магнитопровода статора и залита компаундом который, вместе с зубцами магнитопровода статора, образует ровную цилиндрическую поверхность, концы обмоток статоров заведены через вертикально установленный полый ствол на поворотную часть движительно-рулевой колонки, активная часть каждого ротора гребных электродвигателей закреплена на внутренней поверхности ступицы гребного винта, все пустоты активной части ротора гребного электродвигателя залиты компаундом и образуют ровную внутреннюю цилиндрическую поверхность и обеспечивают постоянство зазора между статором и ротором гребного электродвигателя, упор от гребных винтов на гондолу передается через подшипники расположенные с обеих сторон относительно магнитопровода статора каждого из гребных электродвигателей, смазка и охлаждение трущихся поверхностей и частей электродвигателя, подверженных нагреву, обеспечены самопротоком через них окружающей забортной воды.
Кроме того, движительно-рулевая колонка может быть выполнена так что дополнительно содержит кольцевой электродвигатель расположенный внутри сквозного отверстия гондолы причем статор кольцевого электродвигателя одет на внутреннюю поверхность сквозного отверстия гондолы с зубцами магнитопровода статора кольцевого электродвигателя вывернутыми внутрь, внутрь пазов магнитопровода статора заложена обмотка статора, концы которой выведены через вертикально установленный полый ствол на поворотную часть движительно-рулевой колонки, с обеих сторон статора расположены подшипники, на которые опирается ступица гребного винта, на наружной поверхности ступицы расположена активная часть ротора кольцевого электродвигателя, а на внутренней поверхности ступицы расположены лопасти гребного винта.
Кроме того, движительно-рулевая колонка может быть выполнена так что дополнительно содержит несколько электродвигателей расположенных равномерно внутри сквозного отверстия гондолы, причем статоры электродвигателей одеты на внутреннюю поверхность сквозного отверстия гондолы, с обеих сторон от статоров расположены подшипники на которые опирается ступица которая имеет возможность вращаться внутри гондолы, на наружной поверхности ступицы расположены активные части роторов электродвигателей, а на внутренней поверхности ступицы закреплен движитель типа шнек.
Кроме того, движительно-рулевая колонка может быть выполнена так что гондола имеет водообтекаемую форму.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 изображен общий вид движительно-рулевой колонки.
На Фиг. 2 изображены основные элементы и части конструкции движительно-рулевой колонки.
На Фиг. 3 изображен продольный разрез нижней части движительно-рулевой колонки.
На Фиг. 4 изображен поперечный разрез движительно-рулевой колонки в сечении гребного винта.
На Фиг. 5 изображена конструкция гребного электродвигателя и сочленение его с гондолой и ступицей.
На Фиг. 6 изображен продольный разрез движительно-рулевой колонки содержащей три гребных винта.
На Фиг. 7 изображен поперечный разрез движительно-рулевой колонки в сечении гребного винта с кольцевым электродвигателем расположенным внутри гондолы.
На Фиг. 8 изображен продольный разрез движительно-рулевой колонки содержащей два гребных винта и движитель типа шнек.
На Фиг. 9 изображен общий вид движительно-рулевой колонки гондола которой имеет водообтекаемую форму.
Движительно-рулевая колонка, конструкция, которой представлена на Фиг. 1-Фиг. 5, содержит полноповоротную водообтекаемую гондолу 1 цилиндрической конструкции, установленную на днище судна 2 посредством вертикально установленного полого ствола 3, два гребных электродвигателя 4 и 5 и два гребных винта 6 и 7. Гондола 1 имеет сквозное внутреннее отверстие 8, выполненное вдоль и расположенное горизонтально, каждый из двух гребных винтов 6 и 7 конструктивно выполнен на ступице 9 (10) большого диаметра на внешней поверхности которой расположены многочисленные лопасти 11-1÷11-n (12-1÷12-n) гребного винта 6 (7). Гребные винты 6 и 7 со ступицами 9 и 10 расположены на наружных цилиндрических поверхностях гондолы 1 симметрично относительно вертикально установленного полого ствола 3. Гребные электродвигатели 4 и 5 выполнены обращенными и без станины и расположены между внешней частью гондолы 1 и внутренней частью ступицы 9 (10) гребного винта 6 (7). Магнитопровод статора 13 (14) каждого из гребных электродвигателей 4 (5) закреплен с наружной стороны гондолы 1. Зубцы 15-1÷15-m (16-1÷16-m) магнитопровода статора 13 (14) расположены снаружи, обмотка 17 (18) статора каждого гребного электродвигателя 4 и 5 заложена в пазы магнитопровода статора 13 (14) и залита компаундом 19 который, вместе с зубцами 15-1÷15-m (16-1÷16-m) магнитопровода 13 (14) статора, образует ровную цилиндрическую поверхность, концы обмоток 17 и 18 статоров заведены через вертикально установленный полый ствол 3 на поворотную часть движительно-рулевой колонки. Активная часть 20 (21) каждого ротора гребных электродвигателей 4 и 5 закреплена на внутренней поверхности ступицы 9 (10) гребного винта 6 (7), все пустоты активной части 20 (21) ротора гребного электродвигателя 4 (5) залиты компаундом 19 и образуют ровную внутреннюю цилиндрическую поверхность и обеспечивают постоянство зазора между статором и ротором гребного электродвигателя 4 (5). Упор от гребных винтов 6 и 7 на гондолу 1 передается через подшипники 22-1, 22-2, (23-1, 23-2) расположенные с обеих сторон относительно магнитопровода 13 (14) статора каждого из гребных электродвигателей 4 и 5, смазка и охлаждение трущихся поверхностей и частей электродвигателя 4 и 5 подверженных нагреву, обеспечены самопротоком через них окружающей забортной воды.
Движительно-рулевая колонка, конструкция которой представлена на Фиг. 6 и Фиг. 7, может дополнительно содержать кольцевой электродвигатель 24 расположенный внутри сквозного отверстия 8 гондолы 1. Статор 25 кольцевого электродвигателя 24 одет на внутреннюю поверхность сквозного отверстия 8 гондолы 1 с зубцами 26-1÷26-к магнитопровода статора 25 кольцевого электродвигателя 24 вывернутыми внутрь. Внутрь пазов магнитопровода статора 25 заложена обмотка 27 статора 25, концы которой выведены через вертикально установленный полый ствол 3 на поворотную часть движительно-рулевой колонки. С обеих сторон статора 25 расположены подшипники 28-1, 28-2 на которые опирается ступица 29 гребного винта 30. На наружной поверхности ступицы 29 расположена активная часть ротора 31 кольцевого электродвигателя 24, а на внутренней поверхности ступицы 29 расположены лопасти 32-1÷32-g гребного винта 30.
Движительно-рулевая колонка, конструкция которой представлена на Фиг. 8, может дополнительно содержать несколько электродвигателей 33-1÷33-f расположенных равномерно внутри сквозного отверстия 8 гондолы 1. Статоры 34-1÷34-f электродвигателей 34-1÷34-f одеты на внутреннюю поверхность сквозного отверстия 8 гондолы 1. С обеих сторон от статоров 34-1÷34-f расположены подшипники 35-1÷35-f⋅ на которые опирается ступица 36. Ступица 36 имеет возможность вращаться внутри гондолы 1. На наружной поверхности ступицы 36 расположены активные части роторов 37-1÷37-f электродвигателей 33-1÷33-f, а на внутренней поверхности ступицы 36 закреплен движитель типа шнек 38.
Движительно-рулевая колонка, конструкция которой представлена на Фиг. 9, может отличаться тем, что гондола 1 имеет водообтекаемую форму.
Работа движительно-рулевой колонки происходит следующим образом.
Гребные электродвигатели 4 и 5 (Фиг. 3-Фиг. 5) конструктивно выполнены обращенными, без станины, без подшипниковых щитов и содержат только магнитопроводы статоров 13 и 14, обмотки 17, 18 и активные части роторов 20, 21. Гребные электродвигатели 4 и 5 выполнены заодно с гребными винтами 6 и 7, которые через ступицы 9 и 10 связывают активные части роторов 20, 21 с лопастями 11-1÷11-n, 12-1÷12-n гребных винтов 6 и 7. При этом упорные и опорные поверхности к которым относятся и подшипники 22-1, 22-2, 23-1, 23-2 гребных винтов 6 и 7, а также элементы обеспечивающие вращение ступиц 9 и 10 гребных винтов 6 и 7 и активных частей роторов 20, 21 одни и те же.
Большое количество лопастей 11-1÷11-n (12-1÷12-n) гребного винта 6 (7) вызвано резким увеличением диаметра ступицы 9 (10) по сравнению с классическими конструкциями гребных винтов. Высота лопастей 11-1÷11-n (12-1÷12-n) гребного винта 6 (7) снижена из расчета создания требуемого упора гребного винта 6 (7). При этом следует отметить что значительно снижается номинальная частота вращения гребного винта 6 (7) для создания одного и того же значения упора по сравнению с классической конструкцией гребного винта.
На Фиг. 2-Фиг. 5 изображены конструкции гребных электродвигателей 4 и 5 на основе реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора. Следует отметить, что в качестве гребного электродвигателя 4 (5) может быть установлен любой тип электрической машины. Выбор в пользу использования реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора вызван достоинствами эксплуатационного характера, а также тем, что ротор такой машины является пассивным, то есть не содержит в своей конструкции не обмоток, не постоянных магнитов.
При подаче питающего напряжения на обмотки 17 (18) статора гребного электродвигателя 4 (5) в них будет образовываться круговое вращающееся магнитное поле, которое будет увлекать за собой активную часть ротора 20 (21) гребного электродвигателя 4 (5) закрепленную на ступице 9 (10) а, следовательно, будет вращаться и гребной винт 6 (7) с лопастями 11-1÷11-n (12-1÷12-n). Достоинством такой конструкции является непосредственная передача вращения от гребного электродвигателя 4 (5) лопастям 11-1÷11-n (12-1÷12-n) гребного винта 6 (7).
Все пустоты в магнитопроводе статора 14 (15), между обмотками 18 (19) и между активными частями ротора 20 (21) залиты компаундом 19 для исключения разрушения конструкции гребного электродвигателя 4 (5). При этом компаунд 19 с внешней поверхностью зубцов 15-1÷15-n (16-1÷16-n) магнитопровода статора 13 (14) и с внешними активными частями ротора 20 (21) образуют две идеально ровные цилиндрические поверхности с постоянством зазора между статором и ротором гребного электродвигателя 4 (5).
Следует отметить, что гребные электродвигатели 4, 5, всегда вращаются в противоположные стороны, а гребные винты 6, 7 конструктивно выполнены разного направления вращения. Такое конструктивное решение позволяет исключить возникновение вращающего момента передающегося на днище судна 2, так как вращающие моменты от гребных электродвигателей 4, 5 будут направлены в противоположные стороны и будут взаимно исключаться. Такое конструктивное решение с двумя независимыми, но согласованно работающими гребными электродвигателями 4 и 5 позволяет повысить надежность и живучесть судна, на которой установлена предложенная движительно-рулевая колонка.
При пояснении работы движительно-рулевой колонки следует дополнительно отметить, что конструкция и технология разворота движительно-рулевой колонки известна и не требует дополнительных пояснений.
На Фиг. 6 и Фиг. 7 изображена движительно-рулевая колонка, содержащая в своем составе кольцевой электродвигатель 24 и дополнительный гребной винт 30. Винт 30 содержит лопасти 32-1÷32-g количество, которых ограничено диаметром гондолы 1 и размером самих лопастей 32-1÷32-g. Наличие дополнительного гребного винта 30 увеличивает суммарную тягу движительно-рулевой колонки и позволяет повысить суммарный коэффициент полезного действия и как следствие эффективность всего движительно-рулевого комплекса при движении и маневрировании судна. Достоинством такой конструкции (Фиг. 6 и Фиг. 7) движительно-рулевой колонки является "дробление" мощности гребных электродвигателей 4, 5 и 24 для создания движительно-рулевой колонки большой мощности, а так же повышение надежности такой установки. К достоинствам предложенной установки относится и то что выход из строя одного либо двух гребных электродвигателей 4, 5, 24 не приведет к выходу из строя всей движительно-рулевой колонки.
На Фиг. 7 изображен кольцевой электродвигатель 24 выполненный на основе реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора. Следует отметить, что в качестве кольцевого электродвигателя 24 может быть установлен любой тип электрической машины. Выбор в пользу использования реактивной электрической машины с анизотропной магнитной проводимостью ротора вызван достоинствами эксплуатационного характера, а также тем, что ротор такой машины является пассивным, то есть не содержит в своей конструкции не обмоток, не постоянных магнитов.
Для большего увеличения коэффициента полезного действия и повышения эффективность всего движительно-рулевого комплекса при движении и маневрировании судна внутри сквозного внутреннего отверстия 8 гондолы 1 может быть установлен движитель типа шнек 38 (Фиг. 8). На Фиг. 8 изображена движительно-рулевая колонка, содержащая в своем составе несколько электродвигателей 33-1÷33-f расположенных равномерно внутри сквозного отверстия 8 гондолы 1. Шнек 38 вместе со ступицей 36 установлены на подшипниках 35-1÷35-f⋅ и имеют возможность вращаться внутри гондолы 1 посредствам гребных электродвигателей 33-1÷33-f работающих согласованно. Такое конструктивное решение позволит значительно увеличить эффективность движительно-рулевого комплекса.
На Фиг. 9 изображена движительно-рулевая колонка гондола 1 которой имеет водообтекаемую форму что позволит снизить гидродинамические потери на корпусе гондолы 1 и обтекателей ступиц 9, 10 гребных винтов 6 и 7.
Конструктивные решения (Фиг. 1-Фиг. 9) позволяют снизить массу и габариты движительно-рулевой колонки за счет исключения станины и подшипниковых щитов из конструкции гребных электродвигателей, а так же значительно улучшить вибро-шумовые характеристики движительно-рулевой колонки за счет снижения частоты вращения гребных винтов. Предложенная движительно-рулевая колонка позволяет увеличить надежность. Наличие нескольких независимо, но согласованно работающих гребных винтов увеличивает суммарную тягу колонки и позволяет повысить суммарный коэффициент полезного действия движительно-рулевой колонки и как следствие эффективность всего движительно-рулевого комплекса при движении и маневрировании судна.
Таким образом, предложенная движительно-рулевая колонка позволяет улучшить вибро-шумовые и эксплуатационные характеристики, значительно увеличить надежность, живучесть, а также снизить вес, габариты и стоимость движительно-рулевой колонки.