СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ АЗИМУТАЛЬНОГО КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, ДЕЙСТВУЮЩЕГО НА ДВИЖИТЕЛЬНЫЙ ГОНДОЛЬНЫЙ УЗЕЛ ИЛИ АЗИМУТАЛЬНОЕ ПОДРУЛИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
METHOD AND DEVICE FOR REDUCING AZIMUTHAL TORQUE AFFECTING PROPULSION GONDOLA UNIT OR AZIMUTHAL MANEUVERING DEVICE

Область техники
Данное изобретение относится к способу уменьшения азимутального крутящего момента, действующего на движительный гондольный узел или азимутальное подруливающее устройство, содержащее поворотный гондольный кожух с по существу вертикальной осью поворота и неподвижный, направленный вниз первый обтекатель, расположенный на указанном кожухе позади оси поворота.
Изобретение также относится к устройству для уменьшения азимутального крутящего момента, действующего на движительный гондольный узел или азимутальное подруливающее устройство, содержащее поворотный гондольный кожух с по существу вертикальной осью поворота и неподвижный, направленный вниз первый обтекатель, расположенный на указанном кожухе позади оси поворота.
Предпосылки изобретения
Азимутальным моментом кручения вокруг оси поворота гондольного узла или азимутального подруливающего устройства необходимо управлять с помощью установленного рулевого двигателя для всех комбинаций углов поворота, оборотов гребного винта и скоростей судна.
Основными причинами возникновения азимутального крутящего момента являются следующие:
- Поперечное усилие, создаваемое косым потоком по направлению к гребному винту и зависящее от расстояния между гребным винтом и вертикальной осью поворота. Данное расстояние образует одно плечо рычага, поворачиваемого вокруг оси поворота.
- При повороте косой поток, проходящий к лопастям гребного винта, вызывает изменение угла атаки на протяжении всего поворота при заданном радиусе. Данное изменение приводит к возникновению крутящего момента, который влияет на общий азимутальный крутящий момент.
- Расстояние между центром нагрузки гондольного кожуха и вертикальной осью поворота в совокупности с результирующим поперечным усилием создает крутящий момент, который влияет на общий момент рулевого управления.
Общеизвестный способ уменьшения азимутального крутящего момента для гондольных узлов и азимутальных подруливающих устройств заключается в расположении обтекателя, имеющего крыловидный профиль, позади оси поворота. Обтекатель обеспечивает создание поперечного усилия вследствие возникающего, в частности при повороте гондольного узла, угла атаки. Поперечное усилие приводит к появлению крутящего момента, который действует в направлении, противоположном результирующему воздействию других крутящих моментов, и, таким образом, уменьшает максимальный азимутальный крутящий момент.
При определенных рабочих режимах обтекатель с крыловидным профилем, расположенный в отводимом потоке гребного винта, может обеспечить создание направленного вперед усилия, которое превышает суммарное усилие сопротивления, действующее на обтекатель в противоположном направлении. Таким образом, данное восполнение вращательной энергии в отводимом потоке обеспечивает положительный вклад в тяговое усилие, что повышает эффективность гондольного узла. Расстояние между осью поворота и центром приложения поперечных усилий, действующих на обтекатель, образует второе плечо рычага.
Применение такого обтекателя описано, например, в патентных документах WO 2005/012075 (Rolls-Royce Marine AS) и JP 2004090841 (Kawasaki Heavy Ind. Ltd.). Однако обтекатель выступает на сравнительно большое расстояние от гондольного корпуса, что приводит к повышенному риску посадки на мель. Кроме того, традиционный обтекатель имеет недостатки, заключающиеся, например, в усложнении управления гондольным узлом и его транспортировки при постановке судна в док, а также в увеличении расчетных нагрузок, в основном, для гондольных кожухов и поворотных подшипников. Кроме того, сложная форма (крыловидный профиль) обтекателя может привести к относительно высокой производственной себестоимости.
В патентном документе JP 2009214650 (Universal Shipbuilding Corp.) описано изобретение, целью которого является создание движительного узла гондольного типа, способного обеспечить уменьшение сопротивления при продвижении без возникновения эффекта отрыва в потоке жидкости при одновременном уменьшении себестоимости до низкого уровня благодаря использованию простой конфигурации. Отмечено, что данная цель достигается вследствие того, что движительный узел гондольного типа содержит гребной винт, гондольный корпус и кронштейн, причем к боковой поверхности корпуса прикреплены лопатки в виде прямоугольных пластин (применяемые в настоящее время пластины), расположенные параллельно осевому направлению и в направлении, перпендикулярном боковой поверхности указанного корпуса (совпадающем с радиальным направлением). Величина, на которую выступают лопатки, составляет 40% или менее от радиуса гребного винта, что чрезвычайно мало по сравнению с общеизвестными обтекателями. Кроме того, из патентного документа WO 01/54973 известно гондольное устройство с обтекателями, которые, однако, предназначены не для уменьшения крутящего момента или сопротивления, а для улучшения охлаждения.
Сущность изобретения
Цель данного изобретения заключается в уменьшении риска посадки на мель по сравнению с гондольным узлом или азимутальным подруливающим устройством, содержащим проходящий вниз обтекатель, за счет небольшого уменьшения эффективности указанного узла или устройства.
В способе, относящемся к типу, описанному в вышеприведенном первом абзаце, данная цель достигается согласно изобретению путем уменьшения первого обтекателя с его преобразованием в удлиненную лопатку и ее расположения позади оси поворота вдоль гондольного кожуха вблизи его заднего конца.
Аналогичным образом, в устройстве, относящемся к типу, описанному в вышеприведенном втором абзаце, данная цель достигается согласно изобретению благодаря тому, что первое ребро уменьшено с преобразованием в удлиненную лопатку и проходит позади оси поворота вдоль гондольного кожуха вблизи его заднего конца.
Лопатка, то есть пластина в форме планки, расположенная на задней части гондольного корпуса, позади оси поворота, обеспечивает уменьшение азимутального крутящего момента. При разворотах «планка», или лопатка, изменяет распределение давления воды на заднюю часть гондольного узла таким образом, что азимутальный крутящий момент уменьшается. Производственная себестоимость лопатки или планки относительно низкая. В некоторых случаях дополнительные расходы могут быть направлены на увеличение допустимой несущей способности рулевого двигателя по крутящему моменту, что не всегда может быть выполнено простым и не очень затратным способом.
Преимущества лопатки/планки, которые могут быть достигнуты в соответствии с изобретением, заключаются в следующем:
- Лопатка/планка может быть введена в конструкцию на позднем этапе, то есть она оказывает незначительное влияние на расчетные нагрузки.
- Низкая производственная себестоимость.
- Степень уменьшения азимутального крутящего момента меньше, чем в случае обтекателя, имеющего крыловидный профиль и установленного в аналогичном положении.
- Риск посадки на мель гораздо меньше, чем для конструкции, в которой используется нижний обтекатель.
Гондольный кожух может иметь проходящий вверх второй обтекатель, предназначенный для подвешивания гондольного узла или азимутального подруливающего устройства к морскому судну и имеющий часть, расположенную смежно с гондольным кожухом. В этом случае указанная часть предпочтительно проходит вдоль гондольного кожуха с образованием второй лопатки, проходящей вблизи заднего конца указанного кожуха. Таким образом, достигается небольшое дополнительное уменьшение азимутального крутящего момента и небольшое повышение эффективности узла.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено более подробное описание изобретения со ссылкой на предпочтительные варианты выполнения и прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 изображает схематический вид сбоку предпочтительного варианта выполнения гондольного узла или азимутального подруливающего устройства согласно данному изобретению, и
фиг. 2 изображает вид с торца нижней части гондольного узла или азимутального подруливающего устройства, показанного на фиг. 1, если смотреть с его торца, расположенного ниже по потоку.
Вариант(ы) выполнения изобретения
На фиг. 1 изображен движительный гондольный узел или азимутальное подруливающее устройство 1, содержащее поворотный кожух 2 с диаметром d и по существу вертикальной осью 3 поворота, вокруг которой может поворачиваться указанный узел или устройство, причем ось 3 расположена на расстоянии x перед вертикальной центровой линией M кожуха 2. Позади оси 3 на кожухе гондольного узла расположен неподвижный, направленный вниз первый обтекатель 4.
Согласно данному изобретению первый обтекатель 4 выполнен в виде удлиненной лопатки 4 в форме планки, проходит позади оси 3 поворота вдоль кожуха 2 вблизи его заднего конца 5 и имеет относительно небольшую высоту h, которая измеряется в радиально наружном направлении от указанного кожуха 2 и существенно меньше аналогичной выступающей части обычного обтекателя. В соответствии с предпочтительным изображенным вариантом выполнения обтекатель 4 имеет переднюю часть 41 с нижней/наружной кромкой 41', образующей острый угол относительно горизонтальной протяжности кожуха 2. Соответственно, данная часть 41 имеет треугольную форму, и ее острый конец находится на одном уровне с периферией кожуха 2, причем при прохождении от данного острого конца, направленного вперед, высота кромки 41' непрерывно увеличивается до тех пор, пока она не достигнет высоты h и кромка не соединится с промежуточной частью 40 обтекателя 4. Данная промежуточная часть 40 имеет кромку 40', параллельную центровой линии кожуха 2. К концу промежуточной части 40 присоединена проходящая позади нее задняя часть 42, кромка 42' которой проходит параллельно конической задней части кожуха 2 и оканчивается на расстоянии е от заднего конца 5 кожуха 2. Как должно быть очевидно специалистам в данной области техники, она также может проходить по всей длине до заднего конца кожуха 2.
Как показано на фиг. 1, начальная точка обтекателя 4 расположена на расстоянии y от оси 3, которое в большинстве областей применения предпочтительно является относительно небольшим, однако в некоторых областях применения может возникнуть необходимость в том, чтобы расстояние y превышало расстояние x между вертикальной центральной частью кожуха 2 и осью 3 поворота. На чертеже показано, что горизонтальная протяженность f обтекателя 4 может превышать расстояние у между осью 3 и начальной точкой обтекателя 4, но фактически может быть и меньше него.
Диаметр D гребного винта предпочтительно составляет от 1 до 10 метров, наиболее предпочтительно от 3 до 8 метров.
Расстояние y до начальной точки обтекателя 4 предпочтительно составляет от 0,1D до 2D метра, наиболее предпочтительно от 0,5D до 1,5D метра (следует понимать, что в данном выражении (и в последующих) следует использовать только числовое значение, представляющее размер гребного винта в метрах).
Высота h обтекателя 4 предпочтительно составляет от 0,005D до 0,2D метра, наиболее предпочтительно от 0,01 D до 0,05D метра.
Толщина t обтекателя 4 предпочтительно составляет от 5 мм до 100 мм, наиболее предпочтительно от 10 мм до 30 мм.
2
2
Площадь A2 обтекателя 40 предпочтительно составляет от 0,001D до 0,10D мм, более предпочтительно от 0,005D до 0,02D мм.
Согласно предпочтительному варианту выполнения диаметр d кожуха 2 составляет от 0,1 D до 1D метра, более предпочтительно от 0,2D до 0,7D метра.
В предпочтительном варианте выполнения планка 4 изготовлена из стандартного металлического листа, по существу без использования механической обработки, а только путем вырезания определенных частей, которые могут быть легко прикреплены и объединены с помощью сварки.
Кроме того, кожух 2 имеет проходящий вверх второй обтекатель 6, предназначенный для подвешивания гондольного узла или азимутального подруливающего устройства 1 к морскому судну (не показано) и имеющий часть 7, расположенную смежно с кожухом 2. Часть 7 предпочтительно проходит вдоль кожуха 2 с образованием второй лопатки 8, проходящей вблизи заднего конца 5 кожуха 2. Таким образом, достигается небольшое дополнительное уменьшение азимутального крутящего момента и небольшое повышение эффективности узла.
Изобретение не ограничено вышеприведенным описанием и может быть подвергнуто изменениям в пределах объема формулы изобретения. Например, специалистам в данной области техники очевидно, что существует большое разнообразие материалов, которые могут использоваться для обеспечения функции обтекателя 4, но зачастую предпочтительным является поддающийся сварке металл, например сталь.
Более того, в некоторых областях применения обтекатель может быть изогнут или закручен с обеспечением соответствия потоку для повышения эффективности при малых углах поворота, и/или обтекатель может иметь переменную высоту h, которая либо изменяется постепенно от передней кромки до задней кромки, либо изменяется ступенчато. Максимальное значение высоты может соответствовать любому местоположению между передней кромкой и задней кромкой. Кроме того, обтекатель может иметь переменную толщину t, которая либо изменяется постепенно от передней кромки до задней кромки, либо изменяется ступенчато. Максимальное значение толщины может соответствовать любому местоположению между передней кромкой и задней кромкой. Передняя кромка обтекателя, задняя кромка обтекателя и его вершина могут иметь нулевую толщину. Кроме того, специалистам очевидно, что поперечное сечение обтекателя может иметь различные формы. Например, оно может быть прямоугольным, коническим, воронкообразным или бочкообразным. Наконец, не обязательно использовать только один обтекатель. Второй или третий обтекатель, предпочтительно расположенные параллельно, могут еще больше улучшить рабочие характеристики. Дополнительные обтекатели (не показаны) могут быть расположены либо в продольном направлении (при других значениях y и f), либо в разном угловом положении под гондольным или подруливающим узлом.