ДВИЖИТЕЛЬНОЕ И РУЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУДНА
SHIP PROPULSING AND STEERING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству для управления судном и для его продвижения вперед. Такое устройство содержит гребной винт, руль и бульб, расположенный за гребным винтом. Изобретение также относится к судну, снабженному таким устройством.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Наиболее распространенным средством продвижения судов является гребной винт, ось вращения лопастей которого расположена в направлении движения судна. Для уменьшения потребления топлива гребной винт должен быть как можно эффективнее. В данном контексте эффективность гребного винта, установленного на судне, определяется как отношение между мощностью, необходимой для движения судна вперед, и мощностью, необходимой для простой буксировки судна вперед. Как правило, эффективность гребного винта составляет 60-70%. Поскольку потребление топлива непосредственно зависит от эффективности, любое повышение эффективности приводит к соответствующему уменьшению потребления топлива.
Для повышения эффективности гребных винтов было предложено объединить гребной винт с обтекаемым телом, расположенным за гребным винтом соосно с ним. Такое обтекаемое тело иногда называют Costa-бульб, движительный бульб или просто бульб. Движительный бульб известен, например, из GB 762445, где описано устройство, в котором гребной винт установлен на судне перед рулем, имеющим рудерпост. Бульб расположен за гребным винтом, а рудерпост является опорным элементом для бульба. В WO 97/11878 было предложено расположить за гребным винтом торпедообразное тело, которое подвешено на рудерпосте и не может поворачиваться относительно судна.
Желательно, чтобы судно обладало как можно более высокой маневренностью. В данном контексте маневренность определяется боковой силой, которая может быть достигнута при определенном угловом перемещении руля.
Целью изобретения является создание устройства для управления судном и продвижения судна, имеющего повышенную эффективность. Другой целью изобретения является создание устройства для управления судном и продвижения судна, обеспечивающего повышенную маневренность без увеличения вращающего момента рулевого привода.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно изобретению устройство для управления судном и продвижения судна содержит вращающийся гребной винт, имеющий ступицу и одну или несколько лопастей, предпочтительно по меньшей мере три лопасти. За гребным винтом, если смотреть в направлении движения судна, установлен поворотный руль, имеющий криволинейную, а не плоскую поверхность. Устройство содержит также обтекаемый движительный бульб, выполненный за одно целое с рулем и расположенный за гребным винтом так, что вода, перемещаемая назад гребным винтом, обтекает бульб. Передний конец бульба отделен от гребного винта и его ступицы зазором, который перекрыт колпаком ступицы. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения колпак ступицы подходит к бульбу в месте между гребным винтом и частью бульба, где бульб имеет максимальный диаметр. Колпак ступицы и передний конец бульба выполнены так, что при повороте руля расстояние между бульбом и колпаком остается постоянным.
Максимальный диаметр бульба может быть равен диаметру ступицы гребного винта. Однако в предпочтительных вариантах максимальный диаметр бульба больше диаметра ступицы гребного винта. Максимальный диаметр бульба может быть на 1-40%, предпочтительно на 20% больше диаметра ступицы.
Бульб может быть расположен по оси, параллельной оси вращения гребного винта или соосной ей. Согласно альтернативному варианту бульб может быть расположен по оси, образующей острый угол с осью вращения гребного винта. В альтернативном варианте задний конец бульба может быть расположен выше его переднего конца, так что угол между осями бульба и гребного винта равен 1-14°, предпочтительно 3-5°.
В некоторых вариантах осуществления изобретения изгиб руля уменьшается от его переднего конца, ближайшего к гребному винту, к заднему концу, удаленному от гребного винта, и этот задний конец руля проходит по прямой линии. В других вариантах по меньшей мере часть руля непрерывно изогнута от его переднего конца к заднему.
Бульб предпочтительно разделяет руль на верхнюю и нижнюю части, которые изогнуты в противоположных направлениях. Во всех вариантах руль имеет наибольший изгиб около бульба, а с увеличением расстояния от него изгиб уменьшается, предпочтительно линейно. Максимальный изгиб руля может достигать 15°.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 изображает устройство согласно изобретению, установленное в кормовой части судна.
Фиг.2 изображает более подробно устройство, показанное на фиг.1.
Фиг.3 изображает сечение руля, показанного на фиг.2.
Фиг.4 изображает другое сечение руля.
Фиг.5 изображает руль сверху.
Фиг.6 изображает сечение согласно альтернативному варианту выполнения руля.
Фиг.7 изображает другое сечение варианта, показанного на фиг.6.
Фиг.8 изображает сверху руль и колпак ступицы, когда руль находится в нейтральном положении.
Фиг.9 изображает вид, аналогичный фиг.8, но когда руль повернут для изменения направления движения судна.
Фиг.10 изображает вид, аналогичный фиг.2, но относящийся к другому варианту осуществления изобретения.
Фиг.11 изображает сечение бульба и колпака ступицы согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фиг.12а изображает бульб согласно варианту, показанному на фиг.11.
Фиг.12b изображает бульб, показанный на фиг.12а, спереди, т.е. если смотреть справа на фиг.12а.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее изобретение описано более подробно со ссылками на фиг.1 и 2. Как видно на фиг.1, устройство1 для управления судном 2 и его продвижения вперед установлено в кормовой части судна. Устройство содержит вращающийся гребной винт 3, установленный на приводном валу 4. Гребной винт 3, вращающийся от вала 4, продвигает судно 2 вперед в направлении стрелки А (привод может работать и в обратном направлении, заставляя судно двигаться назад). Когда гребной винт 3 двигает судно 2 вперед, вода, проходящая мимо него, перемещается назад, к поворотному рулю 6, расположенному за гребным винтом 3. В данном контексте предлоги "за" и "перед" характеризуют относительное положение элементов в направлении движения судна вперед, обозначенном стрелкой А. Руль 6 установлен на баллере 7, который может поворачиваться для установки руля 6 в заданное угловое положение.
Как видно на фиг.2, гребной винт 3 имеет ступицу 5, на которой установлены его лопасти. В принципе, гребной винт 3 может иметь всего одну лопасть, но предпочтительно, чтобы их было по меньшей мере две. Гребной винт может иметь и больше двух лопастей, например три или четыре.
Обтекаемый бульб 10 выполнен за одно целое с рулем 6. При вращении гребного винта 3 перемещаемая им вода будет обтекать бульб 10, при этом эффективность гребного винта повышается. Не вдаваясь в теорию, можно сказать, что увеличение эффективности происходит оттого, что бульб уменьшает потери, вызванные вращением, и кавитацию за гребным винтом 3. Бульб 10 отделен от гребного винта 3 зазором "е". Авторы изобретения установили, что для достижения максимальной эффективности этот зазор должен быть закрыт. Для этого ступица 5 гребного винта 3 снабжена колпаком 13, закрывающим этот зазор "е". Колпак 13 выполнен за одно целое со ступицей 5 или жестко соединен с ней, и потому он вращается вместе со ступицей. Из-за контакта с колпаком сопротивление воды увеличивается и эффективность снижается, хотя и в минимальной степени. Поэтому предпочтительно, чтобы колпак 13 был относительно коротким. С другой стороны, было бы нежелательно уменьшать длину колпака 13 до нуля, так как в этом случае пришлось бы увеличивать длину бульба 10, чтобы перекрыть зазор между ним и гребным винтом. Поскольку бульб 10 выполнен за одно целое с рулем, это затруднило бы повороты руля 6. Следовательно, при выборе длины колпака 13 ступицы должен быть сделан компромисс, чтобы удовлетворить отчасти противоречивым требованиям.
Как показано на фиг.2, 8 и 9, колпак 13 ступицы подходит к переднему, в направлении движения, концу 11 бульба 10 в переходной зоне 14, где этот передний конец 11 входит внутрь части колпака 13. Однако не требуется, чтобы бульб 10 имел контакт с колпаком 13. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения между колпаком 13 и передним концом 11 бульба 10 есть небольшое расстояние. Как видно на фиг.8 и 9, руль 6 может поворачиваться относительно колпака 13 ступицы. Для исключения контакта между ними колпак 13 ступицы и передний конец бульба 10 выполнены так, что при повороте руля 6 расстояние между ними остается постоянным. Для этого передний конец 11 бульба 10 может иметь кривизну, соответствующую расстоянию от него до баллера 7. Хотя бульб 10 предпочтительно не должен иметь контакт с колпаком 13 ступицы, последний еще может перекрывать зазор "е", так как бульб 10 заходит внутрь части колпака. Во многих вариантах осуществления изобретения этот зазор может составлять около 15%-25% от диаметра гребного винта (обычно диаметр гребного винта равен 2-6 м).
Колпак 13 предпочтительно подходит к бульбу 10 в месте 14 между гребным винтом 3 и частью бульба 10, где бульб имеет максимальный диаметр. Менее предпочтительно, если этот переход совпадает с максимальным диаметром бульба 10, поскольку максимальный диаметр бульба соответствует наименьшему давлению воды. Следовательно, если переход 14 совпадает с максимальным диаметром бульба, то между колпаком 13 и бульбом 10 может создаться пониженное давление.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения максимальный диаметр бульба 10 на 1-40% больше диаметра ступицы 5 гребного винта. Эксперименты, проведенные авторами изобретения, показали, что наибольшее повышение эффективности достигается, когда максимальный диаметр бульба больше диаметра ступицы 5 на 20%.
Ниже со ссылками на фиг.3-7 описана конструкция руля. Согласно изобретению руль 6 изогнут так, что имеет криволинейную поверхность. Изгиб руля может быть выражен углом ?, на который часть руля отклоняется от вертикальной плоскости Р при его нахождении в нейтральном положении.
Вертикальная плоскость Р определяется осью баллера 7 и осью приводного вала 4. Кривизна или изгиб руля 6 соответствуют направлению вращения воды, перемещаемой назад гребным винтом 3 при движении судна вперед. Руль 6 изогнут навстречу набегающей на него завихренной воде. Максимальный изгиб руля находится в зоне бульба 10. Бульб 10 расположен по существу соосно с осью 4 гребного винта или приводным валом 4 (так как ось гребного винта и приводной вал 4 совпадают, они для удобства обозначены одной цифровой позицией 4). По этой причине направление вращения воды над бульбом и под ним будет разным. Следовательно, участок, расположенный непосредственно над бульбом 10, изогнут/искривлен в одном направлении, а участок, расположенный непосредственно под бульбом 10, - в противоположном направлении. Изгиб руля 6 позволяет использовать часть энергии вращения воды, что повышает эффективность.
Согласно варианту выполнения руля 6, показанному на фиг.3-5, его изгиб уменьшается от переднего конца 8, находящегося ближе к гребному винту 3, к заднему концу 9, дистальному относительно гребного винта 3 и проходящему по прямой линии. Руль 6 имеет наибольший изгиб в области бульба 10, а с увеличением расстояния от него изгиб уменьшается по линейному закону. На фиг.5, где руль 6 изображен сверху, видны его верхняя и нижняя части. Видно, что над бульбом 10 передний конец 8 руля изогнут в одном направлении, а под бульбом - в противоположном направлении. Бульб 10 на фиг.5 не показан, чтобы не усложнять чертеж. На фиг.5 также видно, что задний конец 9 руля 6 не изогнут и проходит по прямой линии. На фиг.3 показано сечение руля, соответствующее его верхнему концу 17. Как видно на фиг.3, верхний конец 17 руля 6 не имеет изгиба. На фиг.4, где показано сечение, соответствующее нижнему концу 18 руля 6, видно, что еще есть некоторый остаточный изгиб, характеризующийся углом ?, но здесь он много меньше, чем около бульба 10. Уменьшение изгиба с увеличением расстояния от бульба объясняется тем, что вращение воды изменяется с изменением расстояния от оси 4 гребного винта. Максимальный изгиб руля 6 непосредственно над или под бульбом 10 может достигать 15°.
На фиг.6 и 7 изображен другой вариант выполнения руля 6, согласно которому по меньшей мере его часть непрерывно изгибается от переднего конца 8 к заднему концу 9. Поэтому даже когда руль 6 находится в нейтральном положении, его задний конец 9 образует угол ? с плоскостью Р, совпадающей с осью 4 гребного винта (символ ? используется для обозначения угла изгиба заднего конца руля, аналогичного углу ? для его переднего конца). На фиг.6 показано сечение руля 6 непосредственно под бульбом 10, а на фиг.7 - непосредственно над бульбом 10. Непрерывно изогнутый руль позволяет использовать еще большую часть кинетической энергии воды и еще больше повысить эффективность.
Из рассмотрения фиг.3-7 понятно, что угол ? изгиба над бульбом и под ним может быть разным. Иными словами, изгиб не обязательно должен быть симметричным. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения угол ? изгиба под бульбом 10 и на определенном расстоянии от него меньше угла ? изгиба над бульбом и на том же расстоянии от него. Причина состоит в следующем. Изгиб руля 6 должен соответствовать вращательному движению воды, имеющему осевую составляющую и касательную составляющую. Выше оси гребного винта вода находится ближе к корпусу судна 2. Это создает тенденцию к уменьшению осевой скорости воды, поэтому касательная составляющая движения воды за гребным винтом 3 будет больше осевой. Ниже оси гребного винта касательная составляющая может быть такой же по абсолютной величине, но осевая составляющая будет больше. Поэтому вода встречается с рулем 6 под другим углом.
Что касается бульба, он описан со ссылками на фиг.10, на которой показан другой вариант осуществления изобретения. В варианте, показанном на фиг.1 и 2, бульб 10 расположен по оси 15, параллельной оси вращения гребного винта 3 или сосной ей. Бульб 10 является осесимметричным телом (т.е. он симметричен относительно оси вращения). Следовательно, ось 15, по которой расположен бульб 10, является осью осевой симметрии. Однако авторы изобретения пришли к выводу, что во многих случаях можно добиться лучших результатов, если бульб 10 будет расположен по оси 15 (в особенности оси 15 осевой симметрии), образующей острый угол с осью вращения гребного винта 3. Это объясняется тем, что поток воды от гребного винта будет протекать несколько вверх относительно гребного винта, а не прямо назад. Поэтому для того, чтобы вода обтекала бульб 10 симметрично, последний должен иметь соответствующий наклон. В случае если бульб 10 несимметричен относительно оси вращения, ось 15 бульба должна быть прямой линией от самой передней его точки до самой задней.
Задний конец 16 бульба 10 расположен выше его переднего конца, а угол между бульбом 10 и осью гребного винта может лежать в диапазоне 1-14°, а во многих случаях может составлять предпочтительно 3-5°.
1
2
1
1
3
3
3
1
2
1
3
3
в
3
3
На фиг.11, 12а и 12b показан еще один вариант осуществления изобретения. Как видно на фиг.11, колпак 13 ступицы имеет криволинейную поверхность 19 вблизи бульба 10. Передний конец 11 бульба 10 имеет радиус кривизны R и центр кривизны в воображаемой точке 24 на оси баллера 7. Криволинейная поверхность 19 колпака 13 имеет радиус кривизны R, несколько больший радиуса R, и центр кривизны в той же воображаемой точке 24, что и для переднего конца 11 бульба 10. Следовательно, при повороте руля расстояние между колпаком 13 и бульбом 10 может оставаться постоянным. На фиг.12а и 12b хорошо видно, что только центральная поверхность 20 переднего конца 11 бульба 10 имеет радиус кривизны R. Центральная поверхность 20 окружена кольцевой поверхностью 21, имеющей радиус кривизны R. На фиг.12а и 12b позицией 22 обозначена граничная линия между центральной поверхностью 20 и кольцевой поверхностью 21. Радиус кривизны R кольцевой поверхности 21 отходит не от какой-либо точки пространства, а от воображаемой окружности 23. Радиус R меньше радиуса R. Следовательно, R>R>R. Радиус кривизны R кольцевой поверхности 21 предпочтительно составляет 4-25% от максимального диаметра D бульба 10. Благодаря выполнению бульба 10 с кольцевой поверхностью 21, радиус кривизны R которой меньше радиуса кривизны центральной поверхности 20, переход между криволинейной центральной поверхностью 20 и остальной поверхностью бульба становится более плавным. Остальная поверхность бульба представляет собой суживающуюся цилиндрическую поверхность 25, т.е. поверхность, несколько подобную конической поверхности. Поэтому поток воды, обтекающий бульб 10, при отклонениях руля от нейтрального положения будет иметь меньшие возмущения, что увеличивает эффективность. Предпочтительный диапазон для R, составляющий 4-25% от максимального диаметра бульба, выбран для оптимизации эффективности при углах поворота руля до 5°. При углах поворота руля более 5° повышение эффективности не очень велико, но это не так важно. Необходимость получить оптимальную эффективность при углах поворота руля до 5° связана с тем, что такие повороты ожидаются на большей части морского рейса в коммерческом судоходстве. Углы поворота руля свыше 5° редко используются за пределами гавани.
3
в
3
Эксперименты, проведенные авторами изобретения, показали, что наилучший результат можно ожидать при радиусе кривизны R кольцевой поверхности 21, составляющем около 25% от максимального диаметра D бульба 10. Теоретически бульб 10 может быть выполнен так, что центральная поверхность 20 его конца 11 продолжается непрерывно до места, где бульб 10 имеет максимальный диаметр. Однако в большинстве практических применений это привело бы к нежелательному увеличению бульба 10. По мнению авторов, нет смысла делать радиус Rбольше 25% от максимального диаметра бульба, так как при этом в некоторых случаях колпак 13 ступицы и бульб 10 могут оказаться слишком близко друг к другу.
1
2
В практических вариантах осуществления изобретения, предложенных авторами, радиус R конца 11 бульба может составлять примерно 15-35% от диаметра гребного винта (типичный диаметр гребного винта равен 2-6 м), а радиус R криволинейной поверхности 19 колпака 13 может быть несколько больше, например на 100 мм.
Конструкция, показанная на фиг.11, 12а и 12b, должна использоваться предпочтительно в сочетании с техническими решениями, описанными со ссылками на фиг.1-10. Это способствует увеличению эффективности. Однако нужно понимать, что технические признаки, раскрытые на фиг.11-12b, могут также использоваться независимо от того, как выполнено рулевое устройство.
Авторы изобретения установили, что сочетание изогнутого руля, бульба и гребного винта с колпаком ступицы увеличивает эффективность. Результаты испытаний показали, что при использовании концепции изобретения можно увеличить эффективность на величину до 5%, что соответствует такому же снижению расхода топлива. В зависимости от обстоятельств в каждом конкретном применении изобретения можно увеличить эффективность более чем на 5%. Авторы также установили, что улучшается маневренность судна.
Что касается части руля и бульба, которая находится впереди баллера 7 (т.е. ближе к гребному винту), то выступающая боковая поверхность этой части должна составлять предпочтительно 25-30% от общей поверхности руля (включая выступающую поверхность бульба 10). Авторы установили, что если поверхность руля и бульба впереди баллера составляет более 30% от общей поверхности руля, то на руль будет действовать нежелательный крутящий момент и он будет стремиться выйти из нейтрального положения. Для удержания руля в нейтральном положении нужно будет приложить крутящий момент. Если же находящаяся впереди баллера 7 поверхность составляет менее 25% от общей поверхности руля, то он будет стремиться принять нейтральное положение. В этом случае для поворота руля потребуется излишне большой крутящий момент. Тем не менее варианты осуществления изобретения, в которых упомянутая выступающая боковая поверхность составляет более 30% или менее 25% от общей поверхности руля, тоже могут найти применение.
В практических вариантах осуществления изобретения диаметр гребного винта равен, как правило, 1,5-6 м, а диаметр ступицы движителя составляет 25-30% от диаметра гребного винта. У гребного винта с диаметром 6 м диаметр ступицы равен 1,5-1,8 м. Высота руля обычно сравнима с диаметром гребного винта.
Хотя изобретение было описано применительно к устройству для управления судном и его продвижения вперед, оно также относится к судну, снабженному этим устройством. Кроме того, изобретение относится к способу модернизации судна, содержащему операции, которые необходимо выполнять для оснащения судна устройством согласно изобретению.