ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВОЙ КОМПЛЕКС СУДНА
MOVING AND STEERING COMPLEX OF THE SHIP

Техническое решение относится к судовым движительно-рулевым комплексам (ДРК) и может быть использовано при управлении водоизмещающими судами.
Известные ДРК судна [11-13], как правило, представляют собой совокупность движителей и средств управления, обеспечивающую движение и маневрирование судна. У большинства судов ДРК содержит по меньшей мере один гребной винт и руль, взаимодействующие с корпусом судна и связанные с центральным постом управления. Руль может традиционно иметь перо, устанавливаемое на баллере или выполняться в виде специальной конструкции (см., например, [1, 6, 7, 12, т. 2, с. 189-190]). В случае применения движителей, являющихся одновременно средством управления (неподвижные поворотные насадки или колонки [3-5, 8]), рули могут не устанавливаться. При этом эффективность работы ДРК определяется КПД маршевого двигателя.
Водоизмещающее судно, включая его корпус и ДРК, могут быть снабжены элементами с крыльевым профилем для повышения продольной устойчивости, управляемости, а также пропульсивного коэффициента, являющегося мерой эффективности двигателя судна [11-13].
Известны крыльевые элементы, устанавливаемые и закрепляемые на корпусе судна: направляющие насадки [12, т. 1, с. 485], скуловые кили [12, т. 2, с. 237], успокоители качки [12, т. 2, с. 367-368], [10], тормозные устройства судна [12, т. 2, с. 332], [9], устройства формирования потока воды, обтекающего корпус судна [3-5].
Наряду с крыльевыми элементами, устанавливаемыми на корпусе водоизмещающего судна, элементы с крыльевым профилем также могут входить непосредственно в конструкцию рулей для формирования струи гребного винта [1, 2, 12].
Так, в техническом решении [2] для повышения устойчивости судна предлагается на пере руля за гребным винтом устанавливать осесимметричное кольцевое крыло с закрепленной на нем профилированной пластиной.
В винторулевом комплексе [1], принятом за прототип, использованы управляемые поворотные крылья на гребных винтах под прямым воздействием потока жидкости от гребных винтов.
Известные устройства [1, 2], используемые в ДРК, предназначены в основном для создания струи гребного винта непосредственно в пространстве за гребным винтом. Однако они не обеспечивают предварительного предвинтового формирования потока гребного винта (ПГВ) набегающего (набрасываемого) на винт потока воды путем отклонения и перераспределения жидкости в пограничном слое, перенаправления и ускорения потока ПГВ.
Тем самым в известных устройствах [1, 2 и др.] недостаточно используются потенциальные возможности по улучшению управляемости и маневренности судна (особенно при снижении его скорости), поскольку гидродинамические характеристики корпуса судна и эффективность его управляемости, характеризуемые пропульсивным коэффициентом, в значительной степени зависят от скорости (пропорциональны квадрату скорости) именно набегающего (натекающего) на винт потока воды [11-13].
Представляется, что при повышенных требованиях к управляемости водоизмещающего судна необходимо учитывать весь комплекс основных и дополнительных (ранее упущенных и неиспользуемых) факторов, которые дают реальный вклад в совокупный технический результат. Одним из необходимых средств управляемости водоизмещающего судна могут служить дополнительные скуловые элементы крыльевого профиля, установленные симметрично вдоль кормовой части корпуса судна на его противоположных скулах. Такие элементы подобно хвостовому оперению летательных аппаратов и кормовому оперению подводных аппаратов могут рассматриваться как управляющие и стабилизирующие устройства и позволяют повысить управляемость и маневренность водоизмещающих судов.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании конструкции движительно-рулевого комплекса водоизмещающего судна на основе концепции оснащения ДРК дополнительными элементами крыльевого профиля, введение которых при уменьшении скорости судна обеспечило бы полное и устойчивое формирование ПГВ набегающего на винт потока воды посредством его отклонения и упорядоченного перенаправления. Отличная от известных технических решений предлагаемая совокупность крыльевых элементов (крыльевая система) водоизмещающего судна при снижении скорости судна может обеспечить его требуемую управляемость и маневренность и служить альтернативой направляющей насадке и/или специальным конструкциям, например [1, 2, 6, 7] и др.
Основной технический результат - повышение управляемости и маневренности судна при уменьшении скорости путем продольной и поперечной стабилизации и увеличения скорости (интенсивности) набегающего на винт потока воды. При этом расширение функциональных возможностей и расширение арсенала ДРК оптимизирует пропульсивный коэффициент и пропульсивные характеристики судна, обеспечивает более эффективное и производительное использование мощности двигателя судна. Предлагаемый ДРК позволяет достигнуть близкое к оптимальному значение комплексного критерия «сложность - стоимость - эффективность (технический результат)», т.е. обеспечить достижение технического результата при приемлемых сложности и стоимости конструктивной реализации.
Технический результат достигается следующим образом.
Заявляемый объект имеет следующие общие с прототипом существенные признаки.
Движительно-рулевой комплекс (ДРК) водоизмещающего судна содержит совокупность взаимодействующих с корпусом судна и установленных в его кормовой части гребного винта и руля, связанных с центральным постом их управления, причем ДРК снабжен элементами с крыльевым профилем для формирования потока гребного винта (ПВГ).
Отличительными от прототипа существенными признаками заявляемого объекта, обеспечивающими получение указанного технического результата, являются следующие.
ДРК дополнительно включает крыльевые элементы формирователя ПГВ, имеющие дугообразный профиль, повторяющий форму обводов кормовой части корпуса судна, и которые размещены на его противоположных скулах симметрично диаметральной плоскости судна и закреплены на корпусе судна посредством реберных пластин, установленных в поперечном к диаметральной плоскости направлении. При этом крыльевые элементы с дугообразным профилем выполнены с передней кромкой, направленной в сторону набегающего на винт потока, и задней кромкой, направленной в сторону гребного винта.
Отличием ДРК также является то, что площадь каждого из скуловых крыльевых элементов с дугообразным профилем составляет от 2,5 до 3,0 площади пера руля, верхние части задних кромок крыльевых элементов размещены на 5-10% выше верхней части пера руля и заходят на переднюю кромку пера на 2-4%.
в
в
в
в
в
Кроме того, ДРК отличается тем, что реберные пластины имеют крыльевой профиль с передней кромкой, направленной в сторону набегающего на винт потока, и задней острой кромкой, направленной в сторону гребного винта, и установлены на расстоянии от 0,25 до 0,50 его диаметра D, а геометрические характеристики крыльевого профиля пластин соотносятся с диаметром D гребного винта: длина хорды составляет 0,5-1,0 D, размах крыла - 0,4-0,8 D при относительной толщине, равной 0,08-0,12D.
При этом каждый из крыльевых элементов, имеющих дугообразный профиль, может быть закреплен на корпусе судна двумя реберными пластинами, размещенными в верхней и нижней частях крыльевых элементов с дугообразным профилем.
Элементы дугообразного крыльевого профиля могут быть выполнены раскрывающимися или выдвижными из корпуса судна.
ДРК также отличается тем, что элементы дугообразного крыльевого профиля в ряде случаев могут быть выполнены поворотными и управляемыми с центрального поста управления ДРК.
В частных случаях выполнения ДРК элементы дугообразного крыльевого профиля могут быть установлены на скулах водоизмещающего одновинтового или двухвинтового судна.
Изобретение поясняется чертежами:
на фиг. 1 представлена схема конструкции предлагаемого ДРК со скуловыми крыльевыми элементами дугообразного профиля;
на фиг. 2 показана конструкция ДРК, вид сверху;
фиг. 3 - вид ДРК с кормы судна.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - корпус судна;
2 - гребной винт;
3 - руль;
4 - скуловые крыльевые элементы дугообразного профиля;
5 - реберные пластины крепления крыльевых элементов;
6 - центральный пост управления.
Стрелкой показано направление набегающего на гребной винт потока воды.
При набрасывании водяного потока (в направлении стрелки) на винт на каждой его лопасти создается сила, пропорциональная квадрату скорости потока и величине угла атаки. Раскладывая эту силу по двум перпендикулярным друг другу направлениям, получим силу тяги, направленную вдоль оси вращения винта, и силу лобового сопротивления, действующую в плоскости диска винта по касательной к окружности, которую описывают точки на лопасти винта при его вращении. Поскольку работающий винт расположен за корпусом судна, то при его движении водяной поток натекает на лопасти винта с неодинаковыми скоростями и под различными углами. В результате наблюдается неравенство сил тяги и лобового сопротивления для каждой лопасти, что приводит к появлению помимо тяги винта боковых сил, влияющих на управляемость судна.
Управляемость судна оценивается устойчивостью на курсе и поворотливостью судна и зависит от гидродинамических свойств судна, эффективности органов управления и действий рулевого [12, т. 2, с. 363-365]. Гидромеханические свойства судна определяются формой (обводами) его корпуса, особенно кормовой оконечности, в том числе элементами кормового крыльевого оперения, а также соотношением главных измерений.
Характеристики управляемости водоизмещающих судов приближенно прогнозируют расчетом [11] с построением диаграммы управляемости [12, т. 1, с. 124], однако окончательно их оптимальность устанавливают, как правило, экспериментально при натурных испытаниях.
Известно [11-13], что с уменьшением скорости судов их управляемость, особенно крупнотоннажных (танкеры, сухогрузы и др.), ухудшается. Многолетняя штурманская практика (в том числе автора технического решения) подтверждает, что при уменьшении скорости судна до 6 узлов и менее наблюдается снижение управляемости судна, особенно в узкостях, проливах, каналах при его движении против течения.
Работа ДРК со скуловыми элементами дугообразного профиля, закрепленными посредством реберных пластин на корпусе судна, заключается в следующем.
ДРК традиционно включает взаимодействующие с корпусом 1 судна гребной винт 2 и руль 3, связанные с центральным постом 6 их управления. Дополнительно включенные в состав ДРК скуловые крыльевые элементы 4 дугообразного профиля повторяют форму обводов кормовой части корпуса 1 судна и размещаются посредством закрепления реберными пластинами 5 на противоположных скулах симметрично диаметральной плоскости судна (см. чертеж).
Конструкция и расположение крыльевых элементов 4 с дугообразным профилем выполнены таким образом, что их передняя кромка направлена в сторону набегающего на винт 2 потока, а задняя кромка направлена в сторону гребного винта 2. Такая конструкция крыльевых элементов 4 обеспечивает создание дополнительного предвинтового потока, набегающего на винт потока воды путем предварительного отклонения и перераспределения жидкости, и, как следствие, формирует перенаправленный и ускоренный поток гребного винта.
Таким образом, крыльевые элементы 4 служат своего рода инжектором по нагнетанию дополнительного потока в струю гребного винта 2.
В свою очередь, повышение интенсивности набрасываемого (набегающего) на винт 2 потока и увеличение скорости его натекания повышает гидродинамическую стабильность действующих на руль 3 сил и моментов, устойчивость и поворотливость, то есть управляемость судна, а также оптимизирует пропульсивный коэффициент и обеспечивает эффективное использование мощности двигателя судна.
Исходя из опыта могут быть даны следующие оценки конструктивных особенностей крыльевых элементов 4: площадь каждого составляет от 2,5 до 3,0 площади пера руля, верхние части задних кромок крыльевых элементов 4 размещены на 5-10% выше верхней части пера руля 3 и заходят на переднюю кромку пера на 2-4%. Более оптимальные значения определяются, как правило, эмпирическим путем.
В конструктивном плане реберные пластины 5 (крепежные средства дугообразных крыльевых элементов 4) целесообразно выполнять также в виде профилированных пластин с передней кромкой, направленной в сторону набегающего на винт потока, и задней острой кромкой, направленной в сторону гребного винта 2. Тем самым создается своего рода крыльевая система (совокупность элементов 4 и 5), подобная кормовому оперению подводного аппарата.
в
в
в
в
Реберные пластины 5 могут иметь крыльевой профиль с сечением плосковыпуклой формы или двояковыпуклой симметричной формы и устанавливаются на расстоянии от винта 2, равном от 0,25 до 0,50 его диаметра D, а геометрические характеристики крыльевого профиля пластин 5 соотносятся с диаметром гребного винта 2: длина хорды составляет 0,5-1,0 D, размах крыла - 0,4-0,8 D при относительной толщине, равной 0,08-0,12D. Наиболее приемлемые геометрические характеристики пластин 5 определяются эмпирически для каждого конкретного типа водоизмещающего судна.
Для обеспечения жесткости и прочности каждый из крыльевых элементов 4, имеющих дугообразный профиль, может быть закреплен на корпусе 1 судна двумя реберными пластинами 5, размещенными в верхней и нижней частях крыльевых элементов 4 с дугообразным профилем.
Элементы дугообразного крыльевого профиля 4 могут быть выполнены раскрывающимися или выдвижными из корпуса 1 судна, т.е. выдвигаются (втягиваются) из корпуса (в корпус) судна или заваливаются в специальные ниши.
Реберные пластины 5 с закрепленными на них крыльевыми элементами 4, в ряде случаев, могут быть выполнены поворотными и управляемыми с центрального поста 6 управления (управление углом атаки набрасываемого на винт 2 потока воды).
Вариант осуществления ДРК, данный в описании, является иллюстративным. Возможны его различные модификации, не выходящие из объема и сущности (смысла) предложенного технического решения, раскрытого в формуле. Например, в частных случаях выполнения ДРК крыльевые элементы дугообразного профиля могут быть установлены на скулах как одновинтового судна, так и двухвинтового судна.
Таким образом, из формулы и из описания ДРК и его работы следует, что достигается его назначение с указанным техническим результатом (повышение управляемости судна вследствие эффективного синергетического взаимодействия руля, винта и корпуса судна с крыльевыми элементами), который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков независимого пункта изобретения.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. RU 2384457 C2, 20.03.2010 (прототип).
2. RU 2042572 C1, 27.08.1995 (аналог).
3. US 2010/0170427 A1, 08.07.2010 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
4. WO 2008152460 (A1), 18.12.2008.
5. KR 20100020471 (A), 22.02.2010.
6. SU 818962 А, 07.04.1981.
7. SU 1565747 A1, 23.05.1990.
8. RU 2440277 C2, 20.10.2012.
9. RU 2588177 C1, 27.06.2016.
10. RU 68424 U1, 27.11.2007.
11. Справочник по теории корабля. Том 3. Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания / Под ред. Я.Н. Войткунского. - Л.: Судостроение, 1985. - 768 с.
12. Морской энциклопедический справочник: В двух томах. Том 1, Том 2 / Под ред. Н.Н. Исанина - Л.: Судостроение, 1987, 512 с., 520 с.
13. http://sea-library.ru (Морская библиотека. Теоретические основы управления судном).