ГРУЗОВОЕ СУДНО С МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ДВУХСТУПЕНЧАТЫМ ЛОПАСТНЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ

Полезная модель относится к области судостроения, в частности к конструкциям грузовых судов, оснащенных многофункциональными двухступенчатыми движителями, и может быть использована при проектировании и строительстве грузовых судов различных типов и назначений с повышенными требованиями к управляемости на малых ходах, в т.ч. наливных судов, автомобильно-пассажирских паромов, а также больших пассажирских паромов и круизных судов.
Известны суда с многофункциональными двухступенчатыми лопастными движителями. Например, рыболовное судно Nippon Maru (сейнер для кошелькового лова), используемое как исследовательское судно Исследовательским рыболовным агентством Fisheries Research Agency, Япония (см. http://www.kamome-propeller.co.jp/en/ships/nipponmaru). Движитель этого судна представляет собой комбинацию гребного винта регулируемого шага (ВРШ, передняя ступень) и гребного винта фиксированного шага поворотной колонки с механической передачей (вторая ступень), размещенного непосредственно за ВРШ. Однако пропульсивная установка рыболовного судна Nippon Maru, которое является аналогом, имеет ограниченные функциональные возможности: передняя и задняя ступени лопастного движителя могут обеспечивать упор только в реактивном режиме, что требует передачи значительной по величине дополнительной мощности. Малый и предельно малый ход, сохраняя управляемость, судно-аналог может обеспечить только при использовании электрической передачи мощности от первичного двигателя к винтовой колонке, что является дорогостоящим техническим решением (мощность гребного электродвигателя винта поворотной колонки должна быть одного порядка с мощностью, передаваемой на ВРШ).
Наиболее близким техническим решением к заявленному по своему назначению, конструкции и общей компоновке, принятым за ближайший аналог (прототип) полезной модели, является грузовое судно (паром), эксплуатирующийся в Японии с 2004 г. (см. Levander О. New Concepts in Ferry Propulsion / Scandinavian Shipping Gazette, September 28, 2007, а также N. Ueda, A. Oshima, T. Unseki, S. Fujita, S. Takeda, T. Kitamura. The First Hybrid CRP-POD Driven Fast ROPAX-Ferry in the World. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Technical Review Vol.41, №6, Dec. 2004, см. Приложение 1 к описанию). Это грузовое судно оснащено многофункциональным двухступенчатым движителем, получившим название CRP Azipod (Contra rotating propeller, CRP). Движитель прототипа представляет собой комбинацию ВРШ (передняя ступень) и гребного винта колонки Azipod (рулевой колонки с гребным электродвигателем в корпусе гондолы колонки). На режиме полного хода гребной винт колонки типа Azipod и ВРШ работают в режиме соосных гребных винтов противоположного вращения. Колонка Azipod на судне-прототипе обеспечивает многофункциональность, являясь одновременно рулевым устройством и движителем.
Недостатком ближайшего аналога (прототипа) является повышенная технологическая сложность и значительные стоимостные затраты (задняя ступень- движитель CRP Azipod), а также пониженная надежность (Российский морской регистр судоходства требует устанавливать на судах поворотные колонки в количестве не менее двух, см. Правила классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства, 2010, том 2, часть VII Механические установки, п.7.1.2.).
Кроме того, компоновка передней и задней ступеней лопастного движителя судна при их соосном расположении не обеспечивает плавного обтекания их ступиц и лопастей, особенно лопастей задней ступени движителя, в т.ч. из-за конструктивного зазора, увеличивающегося по радиусу между кормовым обтекателем конической формы передней ступени движителя и носового обтекателя конической формы задней ступени движителя. Сложная структура потока между ступенями движителя на малых радиусах (не превышающих радиус ступицы передней ступени движителя) отрицательно сказывается на эксплуатационных качествах движителя, особенно на малых ходах: повышается виброактивность, снижается гидродинамическая эффективность, увеличивается уровень подводного шума.
К недостаткам прототипа следует отнести также и увеличенную осевую протяженность движительного комплекса, связанную с необходимостью размещения за передней ступенью движителя задней ступени, которая представляет сбой винтовую колонку с гребным винтом, потребляющую мощность одного порядка с первой ступенью (обычным винтом регулируемого шага, ВРШ). Повышение осевой протяженности движительного комплекса приводит к увеличению длины кормового подзора, что отрицательно сказывается на мореходных качествах, особенно в отношении грузовых судов большого водоизмещения (судно в большей степени подвержено слемингу).
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение недостатков ближайшего аналога (прототипа) и достижение следующих результатов:
- обеспечение малого, предельно малого и аварийного хода грузового судна, преимущественно большого водоизмещения и размеров, с сохранением управляемости без оснащения судна дорогостоящим и энергоемким оборудованием для работы второй ступени, а именно: рулевой колонкой с гребным электродвигателем в корпусе специальной гондолы, в особенности применительно к грузовым судам большого водоизмещения и значительной осадкой, например в полном грузу, в т.ч. наливным судам (супертанкерам), автомобильно-пассажирским паромам, а также большим пассажирским паромам и круизным судам;
- улучшение гидродинамических условий обтекания лопастей и элементов движителя, в первую очередь, за счет предотвращения интенсивного кавитационного процесса поверхностей лопастей движителя второй ступени при маневрировании, приводящего к значительной вибрации, эрозии лопастей и гидродинамическому шуму, а также за счет уменьшения осевой протяженности движительного комплекса вследствие более компактного размещения его элементов.
Это достигается тем, что в предлагаемом грузовом судне с многофункциональным двухступенчатым лопастным движителем, содержащим корпус с грузовыми отсеками и устройствами, а также две автономные передачи мощности от двигателей на переднюю и заднюю ступени движителя, в отличие от ближайшего аналога-прототипа, задняя ступень движителя выполнена в виде двухрежимного контрпропеллера с механизмом изменения его шага, размещенном в ступице и/или в кормовом обтекателе контрпропеллера, а лопасти последнего выполнены с криволинейной образующей и искривлены таким образом, что их засасывающая или нагнетающая поверхность на концевом участке лопасти обращена к поверхности ступицы контрпропеллера, при этом задняя ступень движителя включает устройство стопорения вала контрпропеллера.
С одной стороны, для достижения поставленных целей предлагаемая конструкция грузового судна с многофункциональным двухступенчатым лопастным движителем позволяет обеспечивать в отношении последнего (судна) наряду со всем заданным диапазоном эксплуатационных режимов движения возможность достижения малого, предельно малого и аварийного хода с сохранением управляемости без оснащения судна дорогостоящим и энергоемким оборудованием для работы второй ступени.
Одновременно, с другой стороны, такая конструкция позволяет расширить эксплуатационные возможности пропульсивного комплекса заявленного судна: задняя ступень движителя может работать как в реактивном режиме (т.е. с подводом мощности), так и в режиме без подвода мощности, выполняя роль энергосберегающего устройства в виде неподвижного контрпропеллера.
Улучшение гидродинамических условий обтекания лопастей достигается тем, что лопасти задней ступени движителя выполнены с криволинейной образующей лопасти и искривлены таким образом, что ее засасывающая или нагнетающая поверхность на концевом участке лопасти обращена к поверхности ступицы контрпропеллера. Такая форма лопасти позволяет разгрузить ее концевой участок на любом установочном шаге лопасти (разношаговость обусловлена многофункциональностью) и предотвратить таким образом кавитацию, которая приводит к вибрации, эрозии лопасти и шуму.
Кроме того, поставленная цель достигается тем, что задняя ступень лопастного движителя оснащена механизмом поворота относительно вертикальной оси и установлена на неподвижном кронштейне, к которому крепится перо руля.
Одним из оптимальных является вариант конструкции, в котором длина лопастей задней ступени движителя (контрпропеллера) не превышает 0.5 длины лопастей передней ступени движителя. Таким образом, достигается уменьшение осевой протяженности движительного комплекса (компактное размещение его элементов), а уменьшение диаметра контрпропеллера уменьшает потребную мощность для его работы, оптимизируя состав пропульсивного комплекса (уменьшает его стоимость, расширяет возможность при его компоновке).
Уменьшение в целом осевой протяженности движительного комплекса с одновременным, в т.ч. за счет этого, улучшением гидродинамических условий обтекания элементов движителя достигается также тем, что между контрпропеллером и передней ступенью лопастного движителя предусмотрен зазор криволинейной формы, выполненный между двумя сферическими поверхностями: - выпуклой со стороны контрпропеллера и вогнутой со стороны передней ступени лопастного движителя, таким образом, что кормовой обтекатель передней ступени движителя и носовой обтекатель задней ступени движителя (контпропеллера) при соосном расположении ступеней образуют гидродинамически обтекаемое тело вращения.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, на которых схематично изображен вид сбоку кормовой оконечности грузового судна с многофункциональным двухступенчатым лопастным движителем (фиг.1), условный разрез - вид сверху лопастного движителя (фиг.2) и вид с кормы на контрпропеллер (фиг.3).
Примером конкретного выполнения предлагаемой полезной модели является грузовое судно, (фиг.1), содержащее корпус 1, грузовую палубу 2, грузовой трюм 3, автономную передачу мощности 4 от двигателя 5 на переднюю ступень (гребной винт) 6 лопастного движителя, автономную передачу мощности 7 от двигателя 8 на заднюю ступень 9 лопастного движителя, выполненную в виде двухрежимного контрпропеллера 9. В ступице контрпропеллера 9 и/или в его кормовом обтекателе 10 размещен механизм изменения шага 11, а также устройство стопорения вала (на чертеже не показано).
Контрпропеллер (задняя ступень лопастного движителя) 9 установлен на неподвижном (относительно корпуса 1) кронштейне 12, к которому крепится перо руля 13, и оснащен механизмом поворота 14 относительно вертикальной оси 15. Между контрпропеллером 9 и передней ступенью 6 лопастного движителя имеется зазор 16 криволинейной формы (фиг.2).
Лопасти задней ступени движителя 9 выполнены с криволинейной образующей лопасти 17 и искривлены таким образом, что ее засасывающая или нагнетающая поверхность на концевом участке лопасти обращена к поверхности ступицы 18 контрпропеллера 9.
Грузовое судно с многофункциональным двухступенчатым лопастным движителем работает следующим образом.
Для обеспечения полного хода судна передняя ступень лопастного движителя 6 приводится во вращение посредством передачи мощности 4 от двигателя 5, установленного в корпусе 1. При этом контрпропеллер 9 используется как активный движитель (энергосберегающее устройство), для чего вал контрпропеллера 9 и его ступица стопорятся, а его лопасти посредством механизма изменения шага 11 разворачивают в положение, обеспечивающее максимальную раскрутку реактивной струи за передней ступенью лопастного движителя (гребным винтом) 6. На полном ходу управляемость судна обеспечивается рулем 13.
Для обеспечения малого хода, а также предельно малого хода и маневрирования передняя ступень (гребной винт) 6 отключается, а контрпропеллер 9 используется как реактивный движитель, для чего его лопасти посредством механизма изменения шага 11 поворачиваются до установочного шагового угла малого хода, вал контрпропеллера снимается со стопора, а контрпропеллер 9 приводится во вращение посредством автономной передачи мощности 7 от двигателя 8. При этом криволинейная образующая лопасти 17 контрпропеллера 9 обеспечивает разгрузку ее концевого участка, что в свою очередь обеспечивает отсутствие или минимизацию на нем кавитации (это улучшает эксплуатационные характеристики движителя: уменьшает уровень вибрации, устраняет эрозию лопасти, снижает уровень шума). При маневрировании судна контрпропеллер 9 поворачивается механизмом поворота 14 контрпропеллера 9 вокруг вертикальной оси 15, что создает поперечную составляющую упора движителя. Двигатель 8 по мощности не превышает 25% мощности двигателя 5, что обеспечивает его устойчивую работу на малых и предельно малых ходах грузового судна. Ограничение длины лопастей задней ступени движителя (не более 0.5 длины лопасти передней ступени движителя), а также зазор 16 криволинейной формы между ступенями создает условия для компактного размещения многофункционального двухступенчатого лопастного движителя в кормовом подзоре и уменьшает его протяженность, что положительно сказывается на мореходных качествах (уменьшается вероятность возникновения слеминга). Задняя ступень движителя 9 в случае выхода из строя двигателя 5 (главного двигателя) и рулевого устройства с рулем 13 благодаря автономной передаче 7 и двигателю 8 обеспечивает судну аварийный ход, что значительно повышает безопасность судна, а также служит гарантией исключения всех последствий потери хода судна в море, в том числе и загрязнения окружающей среды.
Таким образом, заявленная полезная модель - грузовое судно с многофункциональным двухступенчатым лопастным движителем позволяет без оснащения судна дорогостоящим и энергоемким оборудованием для работы второй ступени расширить эксплуатационные возможности пропульсивного комплекса судна, обеспечивая режим энергосбережения при неподвижной (застопоренной) задней ступени движителя (контрпропеллера) на режиме полного хода, а на малых и предельно малых ходах управляемость судна, и кроме того, аварийный ход в случае выхода из строя главного двигателя и рулевого устройства.