КОЛЕСНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВОЙ КОМПЛЕКС СУДНА ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ
WHEEL-TYPE POWERHELM UNIT OF ARTIC VOYAGE SHIP

Изобретение относится к водному транспорту, может быть использовано при проектировании, строительстве и эксплуатации судов, предназначенных для работы в условиях мелководья, в засоренной акватории, а также в ледовых условиях.
Известны технические решения с применением гребных колес в движительно-рулевом комплексе (По реке на колесах. SITL Europe 2010, 23-26 марта, Париж, Франция. Первый этап первого ежегодного Российского морского конгресса. Морской транспорт: перспективы содружества. Информационно-аналитическое агентство. 20.02.2011 [1]).
Гидродинамические преимущества гребных колес объясняются теорией и доказаны практикой их применения. Чем больше гидравлическое сечение движителя и чем меньше приращение скорости в нем, тем меньше потери и тем выше его эффективность. При возрастании сопротивления движению и падении скорости гребное колесо способно удвоить тягу, чего не может обеспечить ни винт, ни водомет. Для работы колеса достаточно глубины, равной его диаметру. Малое приращение скорости воды в колесном движителе обеспечивает не только щадящее, но и полезное воздействие на акваторию, перемешивая воду и активизируя в ней восстановительные биохимические процессы.
Несмотря на уникальные свойства гребные колеса практически вышли из применения, среди причин назывались большие габаритные размеры колес, громоздкие обносы, сложная, уязвимая конструкция и дорогостоящий ремонт. Кроме того, к недостаткам причислялись плохая управляемость колесного судна-толкача, отрицательное влияние изменения осадки и крена судна на работу колесного движителя, а также отсутствие простой и надежной передачи мощности от дизеля к гребному колесу. Низкая, почти одинаковая в тот период, стоимость дизельного топлива и мазута делало паровую машину неконкурентоспособной в сравнении с двигателями внутреннего сгорания.
Из всего перечисленного только первый признак можно признать неизбежным недостатком. Хотя, в действительности, большие габаритны колес - это объективная особенность колесного движителя, из которой вытекают гидродинамические преимущества. Остальные недостатки могут быть устранены, если два гребных колеса с независимо управляемым приводом выполнить цельносварными, с винтовой формой плиц. И установить на раме, шарнирно закрепленной на кормовом транце судна, с возможностью подъема-опускания. Поскольку в данном случае гребные колеса обеспечивают движение и управление судном, получается новый тип движительно-рулевого комплекса: «колесный ДРК» или КДРК.
Применение КДРК обеспечивает качественно новый уровень судов. И обеспечивает целый ряд преимуществ. Во-первых, здесь можно говорить о повышенной безопасности плавания за счет динамики, повышенной маневренности и идентичной управляемости на переднем и заднем ходу. Во-вторых, судно приобретает повышенную эксплуатационную надежность, за счет отсутствия в подводной части корпуса уязвимых выступающих частей и отверстий, благодаря прочной цельносварной конструкции гребных колес и шарнирному креплению рамы КДРК к транцу судна. В-третьих, большую рентабельность, поскольку есть возможность выполнения транспортной работы при использовании пониженной мощности и снижения строительной стоимости. Кроме того, появляется щадящее воздействие на флору и фауну акватории.
Колесные суда нового типа могут быть полезны всюду: в мелких водах, там, где есть лед и шуга.
Также новый технический результат может быть получен, если создать мощные колесные ледоколы-ледофрезы для регулярной, круглогодичной работы на шельфе, а также на трассе Северного Морского Пути. Ледокольное судно, оборудованное гребными колесами в виде стальной косозубой фрезы с жесткими объемными плицами, может разрушать лед, двигаясь вперед носом и кормой, разворачиваться во льду на месте, при осадке около 25% диаметра гребного колеса. При этом необходимо отметить, что движение колесами вперед во льду гораздо эффективнее благодаря следующим положительным эффектам. Колесо, работающее у кромки льда, создает разрежение, которое способствует обламыванию кусков льда при ударе по кромке плицей. Лед разрушается в основном путем деформации среза, а не изгиба (колесо по форме - фреза), благодаря чему на разрушение льда требуется меньше энергозатрат, так как прочность льда на срез в 5 раз ниже, чем на изгиб. Куски льда, притопленные плицей, отбрасываются далеко в сторону боковой составляющей упора вместе с большой массой воды, исключая налипание льда к корпусу судна и его попадание под плоское днище. В результате чего судно движется в чистом канале, а сопротивление трения о лед, составляющее до 15% ледового сопротивления ледоколов традиционной конструкции, практически отсутствует.
В отличие от традиционных ледоколов, подминающих лед, судно может преодолевать ледяные заторы на реках, работать в битом и сплошном льду, двигаться носом и кормой вперед, не опасаясь за поломку ДРК. Надежность ДРК обеспечивает форма гребных колес, которые при ударе о препятствие (кромку ледяного поля, мель) выкатываются на него и гасят энергию удара, не допуская разрушающих напряжений в конструкции. Наличие активного ледоразрушающего устройства делает инерционные и формообразующие характеристики корпуса судна второстепенными.
Принцип разрушения льда, при котором движитель выполняет одновременно 4 функции (движение судна, управление судном, разрушение льда и очищение канала), обеспечит снижение удельных затрат энергии при выполнении ледокольной работы в 2-3 раза. Предельная толщина льда для непрерывного хода судна должна составлять 10-12% диаметра колеса.
Существующие технологии не могут обеспечить создание ледокола с осадкой 1 м, способного двигаться во льду толщиной 40 см. А ледофрез с прочными гребными колесами - это колесник водоизмещением 120-150 тонн с обычными пропорциями: диаметр колес 4 м, заглубление гребных колес 0,8-1 м, осадка 1 м. Современные линейные ледоколы при их астрономической стоимости и мощности имеют низкую рентабельность, а зачастую просто убыточны.
Из уровня техники известен движительно-рулевой комплекс (авторское свидетельство SU №1000348 [2]), состоящий из гребного колеса с поворотными плицами, установленного на круговой поворотной платформе с приводом вертикального перемещения. Это устройство имеет сложную конструкцию и уязвимое гребное колесо с поворотными плицами.
Данные недостатки устранены в известном техническом решении (патент RU №2225327 [3]).
Техническим результатом изобретения [3] является обеспечение повышенной надежности при работе судна на мелководье, во льду, при лесосплаве в сочетании с высокими пропульсивными качествами, повышенной маневренностью, высокими динамическими и скоростными характеристиками судна и состава.
Заявленный технический результат достигается применением колесного движительно-рулевого комплекса (ДРК), расположенного в оконечности судна, выполненного в виде пары гребных колес с независимым приводом, симметричной относительно ДП судна конструкции, с жестко установленными и развернутыми относительно оси колеса плицами. При этом плица имеет аксиально-винтовую форму с оптимальным углом входа кромки в воду у наружного обода колеса и оптимальным углом выхода кромки плицы из воды у внутреннего обода колеса (для расчетной скорости хода судна). Колесный ДРК содержит устройство для регулирования заглубления гребных колес, выполненное в виде рамы, шарнирно закрепленной на транце судна с приводом ее подъема-опускания. Для повышения пропульсивных качеств колесного ДРК его рама оборудуется волновыпрямителем с устройством регулирования угла атаки крыла и поднятия его над уровнем воды. Форма гребных колес выполнена в виде усеченных конусов с наружным ободом меньшего диаметра, чем обод внутренний (ближний к ДП судна). Для использования в особо тяжелых условиях (например, для судов ледового класса) гребные колеса имеют объемную конструкцию с внутренним набором, образованную цилиндрическими поверхностями плиц и плоскими звездообразными дисками, причем ширина гребных колес по плицам больше, чем максимальная ширина корпуса судна по КВЛ.
Колесный ДРК представляет собой устройство, состоящее из правого и левого гребных колес симметричной относительно ДП судна конструкции с жестко установленными на них аксиально-винтовыми плицами, с независимым (например, гидравлическим) приводом колес. Гребные колеса установлены на раме, шарнирно закрепленной посредством демпферов на оконечности судна и устройства подъема-опускания ДРК. На кормовом колесе установлен волновыпрямитель с приводом регулировки угла атаки и подъема из воды крыла. Гребные колеса могут быть выполнены с объемными плицами, образованными цилиндрическими поверхностями обшивки, упрочненными по кромке профилем. Цилиндрическая обшивка, закрепленная на звездообразных дисках, по торцам колеса подкреплена изнутри набором. На кромках плиц устанавливаются зубцы. Для судна-парома колеса разнесены к бортам для образования проезда, а к раме прикреплена аппарель.
Управление судном осуществляется изменением величины и направления вектора тяги ДРК путем изменения соотношения числа оборотов и направления вращения гребных колес.
Управляемость судна на переднем и заднем ходу будет идентична. Следовательно, с точки зрения управляемости колесный ДРК может устанавливаться как на кормовой, так и на носовой оконечности. Величина разворачивающего судно момента зависит от угла разворота плиц относительно оси колеса и расстояния оси гребных колес от центра массы судна или толкаемого состава. При установке плиц под углом к оси колес, равным 17° (угол, соответствующий максимальному КПД ДРК), момент, разворачивающий судно, в сравнении со случаем, когда угол равен 0°, возрастает для судна-толкача в 2,5-3 раза, для толкаемого состава толкач+баржа в 5-6 раз, для состава толкач+две баржи в кильватер в 10-12 раз. Винтовая форма плиц при вращении колес в разные стороны обеспечивает рулевую силу, соизмеримую с упором ДРК. Если плицы не имеют разворота, то боковая составляющая упора отсутствует, и управляемость судна в отличие от заявляемой конструкции ДРК не может быть обеспечена без традиционного рулевого устройства. Из практики известно, что удельные тяговые характеристики гребных колес при возрастании сопротивления движению увеличиваются в 1,5-2 раза.
Судно с колесным ДРК будет быстрее набирать и гасить скорость в сравнении с судном, имеющим винтовой или водометный ДРК.
Разворот плиц относительно оси колес и кроме обеспечения управляемости способствует повышению пропульсивного КПД ДРК и получению высоких тяговых характеристик за счет подгребания воды с бортов и обжатия струи. Для уменьшения потерь и повышения скорости отбрасываемой струи (а значит, и судна) колеса ДРК выполняются в виде усеченного конуса.
Частицы воды, захваченные плицей, в момент гребка перемещаются вдоль ее поверхности от борта к ДП судна и получают ускорение, т.к. диаметр гребного колеса, а значит, и окружная скорость плиц возрастает от борта к ДП. Большая скорость отбрасывания струи снижает образование водяного вала за колесом, подъем воды плицами. Этому также способствует аксиально-винтовая форма плиц, имеющих оптимальный угол входа в воду в районе наружного (бортового) диска колес и угол установки плиц в районе внутреннего (при ДП) диска, соответствующий оптимальному углу выхода кромки плицы из воды при расчетной скорости хода. На всех режимах движения судна обеспечивается максимальный КПД ДРК за счет оптимальной величины заглубления гребных колес приводом и подавления волны волновыпрямителем.
Отсутствие уязвимых элементов - поворотных плиц, перьев рулей - обеспечивает колесному ДРК повышенную надежность на предельном мелководье вплоть до использования его в качестве грунтозацепов путем опускания на дно, например при посадке на мель.
Конструкция колесного ДРК может быть выполнена настолько прочной, что сможет использоваться в качестве ледоразрушающего устройства. Судно, двигаясь колесами вперед, будет взламывать ледяное поле. Плица, совершающая гребок в непосредственной близости от кромки льда, создает под ней разрежение, которое способствует откалыванию кусков льда при ударе по нему следующей плицы. Далее кусок льда притапливается плицей и вследствие разворота плиц вместе с массой воды отбрасывается в сторону под кромку льда. Корпус судна движется в чистом канале, практически не испытывая трения льда.
Колесный ДРК может быть установлен в носовой оконечности судна и обеспечит при этом управляемость, маневренность, высокую тягу. Носовой колесный ДРК может быть использован для буксировщика лихтеров ЛЭШ, колесных ледоколов, паромов, полуамфибийных платформ.
Колесный ДРК, в отличие от винтового, допускает осмотр и ремонт без докования судна. Кроме технических преимуществ колесный ДРК будет иметь и экологические, оказывая щадящее воздействие на флору и фауну акватории, т.к. добавленные скорости частиц воды, проходящих через гребные колеса, на порядок ниже, чем в винте. Однако несмотря на ряд преимуществ по сравнению с аналогами использование известного устройства не устраняет такого недостатка, как посадка на дно при плавании на мелководье.
Кроме того, для повышения пропульсивных качеств известного колесного ДРК, его рама оборудуется волновыпрямителем с устройством регулирования угла атаки крыла и поднятия его над уровнем воды. Однако при этом при размещении колесного движительного рулевого комплекса в оконечности судна возможны зацепления за дно и посадка на дно.
Задачей заявляемого технического решения является обеспечение повышенной надежности при работе судна на мелководье, во льду, при лесосплаве в сочетании с высокими пропульсивными качествами, повышенной маневренностью, высокими динамическими и скоростными характеристиками судна и состава, путем устранения выявленных недостатков.
Поставленная задача решается за счет того, что колесный движительно-рулевой комплекс, установленный в оконечности судна, содержащий выполненные с жестко установленными плицами два гребных колеса, имеющих симметричную относительно диаметральной плоскости судна конструкцию, при этом каждое колесо имеет независимо управляемый привод, установленные на колесах плицы развернуты относительно осей колес для подгребания воды от бортов к диаметральной плоскости судна и обжатия отбрасываемой струи, устройство для регулирования заглубления гребных колес, с приводом для их подъема-опускания, при этом гребные колеса выполнены переменного диаметра, которые могут быть вписаны в усеченный конус, оси гребных колес не перпендикулярны диаметральной плоскости судна, а диаметр каждого из гребных колес возрастает от борта к диаметральной плоскости судна, плицы имеют винтовую форму с оптимальными углами установки на входе в воду в районе борта и на выходе из воды в районе диаметральной плоскости судна, на кромках плиц установлены зубцы, колеса выполнены в виде объемной конструкции с плицами, образованными цилиндрическими поверхностями обшивки, закрепленными на звездообразных дисках, ширина гребных колес по плицам больше ширины корпуса судна по конструктивной ватерлинии, в котором колесный движительно-рулевой комплекс, установленный в оконечности судна, снабжен диффузорным винтовым насадком с откосом, в носовой части судна также установлен колесный движительно-рулевой комплекс с устройством заглубления колес, колесный движительно-рулевой комплекс также снабжен устройством для уменьшения отрицательного давления под судном при плавании на мелководье, включающим аэрационную трубу с воздухозаборниками, плицы колесного движительно-рулевого комплекса, установленного в носовой части судна, выполнены в виде шестигранного стакана, с закрепленными в нем резцами.
В отличие от известного устройства, предлагаемое техническое решение позволяет решить вопросы, связанные с повышением КПД движителей, уменьшением сопротивления движения судна на мелководье и повышением эффективности при плавании во льдах.
Повышение эффективности использования судна в ледовых условиях тесно связано с повышением КПД движителей. Как известно, КПД идеального движителя можно определить по соотношению:
где
p
L=mωaV - полезная мощность, развиваемая движителем;
2
1
2
L=pVp+mωa/2 - затраченная мощность,
m - масса жидкости, протекающая через движитель за единицу времени;
p
V - скорость невозмущенной жидкости;
а
ω- скорость, вызванная движителем на бесконечности.
а
а
Формула (1) показывает, что чем больше вызванные скорости ω, тем меньше η. Таким образом, задача увеличения η может быть решена путем уменьшения ω. Этого можно достичь путем оборудования гребных колес диффузорными насадками с откосом воды с внутренней поверхности насадки.
Применение диффузорного винтового насадка с откосом позволяет обеспечить следующие условия:
a
- расширение отбрасываемой струи с одновременным выравниванием эпюры скоростей и существенным уменьшением скорости ω;
- увеличение КПД движителя;
a
a
- уменьшение скорости (и количества) спутного потока (при ω=-V теоретический спутный поток может быть полностью нейтрализован);
- уменьшение энергии кормовой группы волн.
Для повышения эффекта отсасывания дополнительно можно применить вакуумные насосы.
Проявление отрицательного давления под днищем судна обуславливает возникновение дополнительно осадки ΔT и дифферентного утла α. Проявление этих факторов приводит к уменьшению запаса глубины под судном и даже к посадке судна на дно судового хода, а появление дифферентного угла приводит к существенному увеличению сопротивления движения судна.
Для уменьшения (или полного исключения) этих неблагоприятных факторов необходимо нейтрализовать отрицательное давление под судном при плавании на мелководье. Это можно осуществить путем аэрации потока под судном в зоне больших отрицательных давлений или путем подачи под днище воды.
Выполнение плиц колесного движительно-рулевого комплекса, установленного в носовой части судна в виде шестигранного стакана, с закрепленными в нем резцами позволяет делать прорези во льду, что облегчает последующий процесс разрушения льда корпусом судна.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.
Фиг.1. Схема судна, оснащенного колесным движительно-рулевым комплексом. Судно 1 оснащено носовым и кормовым движительно-рулевым комплексом, выполненным в виде гребных колес 2 с управляемым приводом 3, устройством 4 для регулирования заглубления гребных колес 2. Гребные колеса 2 снабжены плицами 5, на кромках которых установлены зубцы 6, диффузорной насадкой 7. Воздухозаборники 8, аэрационная труба 9, отверстия 10 бортовых труб 11 образуют устройство для нейтрализации отрицательных давлений под судном 1. При движении судна, когда возникают области пониженного (отрицательного) давления, через воздухозаборники 8 воздух засасывается в аэрационную трубу 9 и через отверстия 10 (перфорированную нижнюю часть) бортовых труб 11, расположенных ниже плоскости плавания, выходит в поток под судном. Фиг.2. Диффузорная насадка. Диффузорная насадка 7 включает диффузор 12, отклоняющую поверхность 13, отверстия 14.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При движении судна 1 во льдах, задаваемом колесным движительно-рулевым комплексом, выполненным в виде гребных колес 2 с управляемым приводом 3, посредством зубцов 6, установленных на кромках плиц 5, осуществляют разрушение льда, путем нарезки прорезей с последующим воздействием на лед корпусом судна 1. Для получения более широких прорезей зубцы 6 носовых гребных колес 2 выполнены в виде шестигранного стакана, с закрепленными в нем резцами.
Колесный движительно-рулевой комплекс, установленный в оконечности судна 1, содержащий выполненные с жестко установленными плицами два гребных колеса, имеющих симметричную относительно диаметральной плоскости судна конструкцию, при этом каждое колесо имеет независимо управляемый привод, установленные на колесах плицы развернуты относительно осей колес для подгребания воды от бортов к диаметральной плоскости судна и обжатия отбрасываемой струи, устройство для регулирования заглубления гребных колес, с приводом для их подъема-опускания, при этом гребные колеса выполнены переменного диаметра, которые могут быть вписаны в усеченный конус, оси гребных колес не перпендикулярны диаметральной плоскости судна, а диаметр каждого из гребных колес возрастает от борта к диаметральной плоскости судна, плицы имеют винтовую форму с оптимальными углами установки на входе в воду в районе борта и на выходе из воды в районе диаметральной плоскости судна, на кромках плиц установлены зубцы, колеса выполнены в виде объемной конструкции с плицами, образованными цилиндрическими поверхностями обшивки, закрепленными на звездообразных дисках, ширина гребных колес по плицам больше ширины корпуса судна по конструктивной ватерлинии.
При движении судна, когда возникают области пониженного (отрицательного) давления, через воздухозаборники 8 воздух засасывается в аэрационную трубу 9 и через отверстия 10 (перфорированную нижнюю часть) бортовых труб 11, расположенных ниже плоскости плавания, выходит в поток под судном, что также способствует отводу разрушенного льда от корпуса судна.
Применение диффузорной насадки 7 с откосом позволяет обеспечить следующие условия:
а
- расширение отбрасываемой струи с одновременным выравниванием эпюры скоростей и существенным уменьшением скорости ω;
- увеличение КПД движителя;
a
a
- уменьшение скорости (и количества) спутного потока (при ω=-V теоретический спутный поток может быть полностью нейтрализован);
- уменьшение энергии кормовой группы волн.
Назначение и работа остальных узлов и элементов аналогичны приведенным в описании прототипа.
Изобретение позволяет повысить КПД движителя и управляемость судна, а также обеспечивает движение судна во льдах.
Источники информации
1. По реке на колесах. SITL Europe 2010, 23-26 марта, Париж, Франция. Первый этап первого ежегодного Российского морского конгресса. Морской транспорт: перспективы содружества. Информационно-аналитическое агентство. 20.02.2011.
2. Авторское свидетельство SU №1000348.
3. Патент RU №2225327.