Гребной винт в кольцевой насадке
PROPELLER IN AN ANNULAR NOZZLE

Изобретение относится к области судостроения, а именно к водоходным движителям, обеспечивающим движение и маневрирование судна.
r
r
Известен гребной винт (Патент РФ № 2382715, МПК B63H 1/14, опубл. 27.02.2010), содержащий ступицу, лопасти с несимметричным контуром, у которых цилиндрические сечения имеют изменяемый шаг и кривизну, при этом контуры лопастей выполнены с откидкой, которая направлена в сторону вращения гребного винта за счет смещения вперед от осевой линии цилиндрических сечений лопастей на 65÷80% своей длины на относительном радиусе =0,8÷0,9 и плавно уменьшающиеся до 0% у ступицы, причем контуры комлей лопастей не перекрывают друг друга в осевом направлении гребного винта, образуя зазор, а на лопастях, с двух их сторон, на входящей кромке выполнено заострение кромки, начиная от осевой линии лопасти на внешнем радиусе и до относительного радиуса ≈0,3 цилиндрического сечения лопасти.
Недостатком данного изобретения является сравнительно низкий уровень тяги.
Известен гребной винт (Патент РФ № 2313469, МПК В63H 1/26, B63H 1/18, опубл. 25.04.2018), который имеет гребные плоскопрофильные лопасти с передними и задними кромками и торцовыми оконечностями. Лопасти установлены на ступице цилиндрической или эллипсоидной формы под шаговым углом. Плоскости гребных лопастей наклонены к продольной оси ступицы под углом, меньшим 90 и большим 30 градусам. Гребные лопасти могут быть выполнены в виде прямоугольных пластин. Торцовые оконечности гребных лопастей могут быть выполнены прямолинейными. Шаговый угол гребного винта целесообразно выбирать в пределах от 0 до 60 градусов. Гребные лопасти могут быть выполнены в виде пластин несимметричной, например саблевидной формы. Изобретение позволяет повысить эффективность действия гребного винта и упростить процесс его изготовления.
Недостатком данной конструкции гребного винта является низкая тяга гребного винта.
D
h
R
Известен гребной винт (патент РФ № 2301761, МПК B63H1/14, опубл. 27.06.2007), содержащий установленные на ступице осесимметричной формы гребные плоскопрофильные лопасти, одна из двух поверхностей которых рабочая. Лопасти осесимметрично размещены в трубовидной кольцевой полости с зазором между концами лопастей и внутренней стенкой насадки. Концы каждой лопасти загнуты под углом α, обеспечивающим параллельность внутренней поверхности насадки с поверхностями загнутых концов, и созданием между этими поверхностями зазора δ в пределах от 1% до 22% от величины диаметра  винта. Высота  загнутого конца каждой лопасти относительно рабочей поверхности каждой лопасти составляет от 0,1% до 11% от величины диаметра винта, а радиус  загиба каждого конца лопасти по рабочей поверхности находится в пределах от 25% до 100% от высоты загнутого конца лопасти.
Недостатком данной конструкции является низкое значение тяги и пропульсивного коэффициента полезного действия, а также склонность к кавитации в периферийной области лопасти.
Задачей изобретения является совершенствование геометрии лопасти гребного винта, работающего в кольцевой насадке.
Техническим результатом изобретения является повышение тяги и пропульсивного коэффициента полезного действия гребного винта, а также снижение кавитационных явлений и облегчение вращения винта.
h
h
i
i
Технический результат достигается гребным винтом, размещенным в кольцевой насадке и содержащим ступицу и гребные лопасти с несимметричным контуром, имеющие смещение от перпендикуляра к оси вращения винта для разнесения нагрузки, сечения лопастей имеют заданный угол атаки для обеспечения постоянного шага гребного винта, а контуры лопастей имеют изменяемую кривизну, характеризующуюся тем, что расстояние между входной и выходной кромками лопасти, отнесенное к радиусу винта, на соответствующем текущему значению относительном радиусе винта =0,2 определяется значением  из диапазона 0,210…0,232; на относительном радиусе =0,3 определяется значением из диапазона =0,382…0,428; на относительном радиусе =0,40 определяется значением из диапазона =0,540…0,608; на относительном радиусе =0,5 определяется значением из диапазона =0,676…0,756; на относительном радиусе =0,6 определяется значением из диапазона =0,768…0,862; на относительном радиусе =0,7 определяется значением из диапазона =0,840…0,944; на относительном радиусе =0,8 определяется значением из диапазона =0,894…1.002; на относительном радиусе =0,848 определяется значением из диапазона =0,924…1,036 при количестве выбранных относительных радиусов 3…14 и диапазоне изменения их значений 0,2…1, причем шаг гребного винта составляет  90…110% от диаметра винта, а дисковое отношение составляет 0,85…0,95.
Повышение тяги, создаваемой гребным винтом, и минимизация кавитационных явлений при работе винта в кольцевой насадке, обеспечивается описанной геометрией лопастей, а также заданным шагом и дисковым отношением винта.
h
i
Указанные диапазоны изменения расстояния между входной и выходной кромками лопасти гребного винта получены расчетным путем с использованием пакета CFXAnsys и обусловлены тем, что при превышении верхнего указанного диапазона возникает повышенное сопротивление на двигатель, вследствие чего падают обороты и снижается тяга винта, а при параметрах меньше минимальных значений указанного диапазона возникает кавитация и происходит снижение тяги. Превышение верхней границы указанного диапазона дискового отношения приводит к необходимости увеличения потребной мощности двигателя, а  дисковое отношение менее указанного диапазона приводит к снижению тяги винта; превышение верхней границы указанного диапазона шага винта приводит к росту кавитационных явлений, а при шаге винта менее указанного диапазона происходит снижение пропульсивного коэффициента полезного действия.
а
б –
в
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид гребного винта, на фиг. 2 – гребной винт в кольцевой насадке, на фиг. 3 – гребной винт в примере конкретного выполнения, на фиг. 4 – результаты численного моделирования гребного винта ( – сила тяги винта конкретного применения с предложенной геометрией лопасти, сила тяги классического винта с лопастью  Каплана,  – пропульсивный коэффициент полезного действия).
Гребной винт (фиг. 1) для установки на гребном валу 1 содержит ступицу 2 винта и лопасти 3 с несимметричным контуром, имеющие выходную кромку 4 и входную кромку 5, при этом выполнен плавный переход 6 от корневой части лопасти к ступице. Лопасти гребного винта выполнены с откидкой на угол 5-10 градусов в сторону нагнетающей поверхности  гребного винта. Выходная и входная кромки лопасти при переходе от корневого сечения к концевому имеют профиль, формируемый точками с координатами, отнесенными к радиусу винта, в следующем диапазоне:
Выходная кромка
<img file="00000013.jpg" he="12" wi="20" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000014.jpg" he="12" wi="19" img-content="undefined" img-format="jpg" />
-0,084…-0,076
0,2
-0,176…-0,156
0,3
-0,266…-0,236
0,4
-0,348…-0,310
0,5
-0,418…-0,370
0,6
-0,478…-0,424
0,7
-0,528…-0,470
0,8
-0,548…-0,488
0,848
Входная кромка
<img file="00000015.jpg" he="12" wi="20" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000016.jpg" he="12" wi="19" img-content="undefined" img-format="jpg" />
0,134…0,148
0,2
0,226…0,252
0,3
0,304…0,342
0,4
0,366…0,408
0,5
0,398…0,444
0,6
0,416…0,466
0,7
0,424…0,474
0,8
0,422…0,472
0,888
Ориентация системы координат выполнена таким образом, что одна из осей, например, ось ординат проходит через центр масс одной из лопастей гребного винта и направлена вертикально вверх, а ось абсцисс направлена горизонтально с положительным направлением в ту сторону, которую покажет ось ординат после поворота ее в направлении вращения винта. Для винта правого вращения ось абсцисс направлена вправо, для винта левого вращения – влево.
Пример конкретного выполнения гребного винта.
CAE
ANSYSCFX
о
Была рассчитана в -системе и изготовлена 3Д-модель гребного винта для работы в кольцевой насадке с параметрами, представленными на фиг. 3. Результаты численного моделирования показывают, что гребной винт с предложенными параметрами позволяет достичь бльших значений тяги гребного винта и достижимые скорости движения на воде. Тяга гребного винта с предложенной геометрией лопастей по сравнению с классическим гребным винтом (лопасть Каплана) и скорость движения по воде увеличились на 37% и 28,5% соответственно, пропульсивный коэффициент полезного действия увеличился до 37% (фиг. 4).
Таким образом, изобретение позволяет повысить тягу и пропульсивный коэффициент полезного действия гребного винта, работающего в кольцевой насадке, а также снизить кавитационные явления и облегчить вращение винта за счет предложенной геометрии лопастей и параметров гребного винта.