Способ и устройство для уменьшения азимутального крутящего момента, действующего на тяговую винторулевую колонку или азимутальное подруливающее устройство
METHOD AND DEVICE FOR REDUCING AZIMUTHAL TORQUE ACTING ON THRUST SCREW-RUDDER COLUMN OR AZIMUTH THRUSTER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предложенное изобретение относится к способу уменьшения азимутального крутящего момента, действующего на тяговую винторулевую колонку или азимутальное подруливающее устройство, имеющие поворотный гондольный корпус с по существу вертикальной осью поворота и направленное вниз килевое стабилизаторное средство, выполненное на гондольном корпусе сзади от оси поворота.
Предложенное изобретение также относится к устройству для уменьшения азимутального крутящего момента, действующего на тяговую винторулевую колонку или азимутальное подруливающее устройство, имеющие поворотный гондольный корпус с по существу вертикальной осью поворота и направленное вниз килевое стабилизаторное средство, выполненное на гондольном корпусе сзади от оси поворота.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Поворотный механизм должен выдерживать азимутальный крутящий момент вокруг оси поворота тяговой винторулевой колонки или азимутального подруливающего устройства для всех сочетаний углов управления, скоростей гребного винта и скоростей судна.
Основными причинами азимутального крутящего момента являются:
- поперечная сила, создаваемая вследствие косого потока по направлению к гребному винту совместно с расстоянием между гребным винтом и вертикальной осью поворота. Это расстояние образует одно плечо рычага, поворачивающегося вокруг оси поворота;
- при повороте, косой поток к лопастям гребного винта обеспечивает изменяющийся угол атаки на полном витке при заданном радиусе; Это изменение вызывает крутящий момент, который влияет на полный азимутальный крутящий момент;
- расстояние между центром приложения нагрузки гондольного корпуса, вследствие гидродинамических сил, и вертикальной осью поворота совместно с результирующей поперечной силой обеспечивает крутящий момент, который влияет на полный крутящий момент управления.
Распространенным методом уменьшения азимутального крутящего момента для винторулевых колонок или азимутальных подруливающих устройств является размещение стабилизатора с крыловидным профилем сзади от оси поворота. Вследствие угла атаки стабилизатор создает поперечную силу, в частности, при повороте винторулевой колонки. Поперечная сила приводит к крутящему моменту, действующему в направлении, противоположном сумме других факторов, способствующих появлению крутящего момента, и поэтому она уменьшает максимальный азимутальный крутящий момент.
При определенных условиях эксплуатации стабилизатор с крыловидным профилем, расположенный в отводимом потоке за гребным винтом, может генерировать направленную вперед силу, превышающую общее лобовое сопротивление на стабилизаторе, действующее в противоположном направлении. Тем самым, восполнение энергии вращения в отводимом потоке делает положительный вклад в тягу, который повышает эффективность винторулевой колонки. Расстояние между осью поворота и центром поперечных сил, действующих на стабилизатор, образует второе плечо указанного рычага.
Использование такого стабилизатора раскрыто, например, в патентных документах WO 2005/012075 A1 ("Rolls-Royce Marine AS") и JP 2004090841 (A) ("Kawasaki Heavy Ind. Ltd.").
В патентном документе JP 2009214650 (A) ("Universal Shipbuilding Corp.") раскрыто двигательное устройство гондольного типа, выполненное с возможностью уменьшения сопротивления движению, причем в этом устройстве на боковой поверхности корпуса гондолы зафиксированы лопатки в виде прямоугольных пластин (потоковые пластины) таким образом, что они расположены параллельно осевому направлению корпуса гондолы и в направлении, нормальном (то есть в радиальном направлении корпуса) боковой поверхности корпуса гондолы. Величина выступа лопатки составляет 40% или менее от радиуса гребного винта, то есть данный выступ крайне мал по сравнению с обычными известными стабилизаторами и поэтому не может обеспечивать достаточную производительность.
Кроме того, из патентных документов WO 01/54973 и JP 2010221975 известны гондольные конструкции, имеющие множество стабилизаторов, выполненных, однако, не для уменьшения крутящего момента или уменьшения сопротивления, а для улучшения охлаждения и восстановления кильватера.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью предложенного изобретения является усовершенствование винторулевой колонки или азимутального подруливающего устройства, в сравнении с винторулевой колонкой или азимутальным подруливающим устройством, имеющим традиционный проходящий вниз стабилизатор (киль).
В соответствии с предложенным изобретением указанная цель достигнута посредством новой концепции, описанной в независимых пунктах формулы изобретения.
Благодаря использованию предложенной конфигурации с двумя стабилизаторами (килями), в соответствии с изобретением, могут быть достигнуты значительные эксплуатационные преимущества по сравнению с конфигурацией с одиночным стабилизатором. Так, помимо прочего, могут быть достигнуты улучшенные кавитационные характеристики, что в результате дает преимущество, заключающееся в легком обеспечении большего бескавитационного угла управления. Кроме того, было показано, что по сравнению с конфигурацией с одиночным стабилизатором, может быть рекуперировано больше вращательных потерь потока через гребной винт, то есть увеличена эффективность гидродинамического устройства.
t,f
t,f
s,f
s,f
В соответствии с дополнительным аспектом также можно частично пожертвовать превосходными кавитационными характеристиками для еще большего увеличения эффективности гидродинамического устройства с помощью выполнения стабилизаторов более тонкими, то есть путем выполнения стабилизаторов с такой толщиной t, которая является относительно меньшей в соотношении с длиной С потока по сравнению с обычным одиночным стабилизатором, причем, предпочтительно, суммарная толщина двух стабилизаторов меньше, чем толщина одного киля-стабилизатора t / C<t / C.
Еще одно преимущество, которое может быть обеспечено при помощи предложенного изобретения, заключается в возможности снижения вероятности посадки на мель по сравнению с конструкцией, в которой использован одиночный стабилизатор, поскольку два стабилизатора могут быть расположены так, что они выступают снизу гондолы на меньшее расстояние.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее предложенное изобретение описано более подробно со ссылкой на предпочтительные варианты выполнения и прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 изображен вид сбоку предложенной винторулевой колонки, или азимутального подруливающего устройства, в соответствии с одним предпочтительным вариантом выполнения;
на фиг.2 изображены соответственно вид сбоку и вид сзади установленной конструкции с двумя стабилизаторами, в соответствии с вариантом выполнения изобретения;
на фиг.3 изображены соответственно вид сбоку и вид сзади установленной традиционной конструкции с одиночным стабилизатором, выполненная в соответствии с уровнем техники;
на фиг.4 изображена схема, на виде сбоку, иллюстрирующая характеристики давления для передней части установленных предложенной конструкции с двумя стабилизаторами и традиционной конструкции с одиночным стабилизатором, выполненной в соответствии с уровнем техники;
на фиг.5 представлен график, на котором показаны результаты испытаний относительно крутящего момента управления при различных углах управления для винторулевой колонки, соответственно, без стабилизатора, с традиционным одиночным стабилизатором и с предложенной конструкцией с двумя стабилизаторами;
на фиг.6 представлен график, на котором показаны результаты испытаний эффективности при различных положениях пересечения оси стабилизатора для винторулевой колонки с предложенной конструкцией с двумя стабилизаторами.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
a
a
На фиг.1 изображена тяговая винторулевая колонка или азимутальное подруливающее устройство 1, имеющее поворотную шейку 2. На нижнем конце шейки 2 расположен гондольный корпус 4, имеющий центральную ось 3В, проходящую в целом горизонтально. Поворотная шейка 2 обеспечивает по существу вертикальную ось 3А поворота, вокруг которой может поворачиваться винторулевая колонка 1 или азимутальное подруливающее устройство. Спереди гондольного корпуса 4 расположен тяговый гребной винт 7, имеющий радиус R. Ось 3А поворота может быть расположена в различных местах, например, как показано в данном варианте выполнения, она может быть расположена на расстоянии х впереди от вертикальной центральной линии 5 гондольного корпуса 4. Сзади от оси 3А поворота гондольный корпус несет два зафиксированных, в целом направленных вниз стабилизатора 6. Стабилизаторы 6 расположены на кормовой части 40 гондольного корпуса 4 на первом осевом расстоянии r (относительно передней крепежной части стабилизатора) от оси 3А поворота, причем расстояние r может быть изменено, но в некоторых применениях оно, предпочтительно, превышает радиус R гребного винта 7. Концевая поверхность 41 кормовой части 40 гондольного корпуса 4 расположена на втором осевом расстоянии L от оси 3А поворота, причем второе осевое расстояние превышает первое осевое расстояние r. Кормовой конец 65 стабилизатора 6, предпочтительно, заканчивается на одной линии с концом 41 кормовой части или на расстоянии Y вперед от данного конца 41. Первое осевое расстояние r, то есть расстояние между осью 3А азимутального поворота гондолы и стабилизаторами 6, должно, предпочтительно, составлять от 10 до 85% от второго осевого расстояния L между осью поворота 3А и концом 41 кормовой части или, еще более предпочтительнее, от 50 до 70% от указанного второго осевого расстояния.
Как изображено на фиг.2, стабилизаторы 6 расположены и проходят, каждый на одной боковой стороне относительно вертикальной продольной плоскости 30 гондольного корпуса 4. Стабилизаторы 6 включают в себя один правобортовый стабилизатор 6А, расположенный по правому борту кормовой части 40 относительно оси 3 поворота, и один левобортовый стабилизатор 6В, расположенный по левому борту, относительно оси поворота 3А.
В соответствии с предложенным изобретением два стабилизатора 6, предпочтительно, имеют идентичную форму и расположены симметрично относительно вертикальной продольной плоскости 30 гондольного корпуса 4 и проходят вниз за нижнюю кромку 42 гондольного корпуса так, что обе оконечности 63 стабилизаторов расположены ниже нижней кромки 42 гондольного корпуса. Стабилизаторы 6 проходят по существу радиально с образованием между собой угла β, который, предпочтительно, находится в диапазоне 0°<β<90°, предпочтительнее β<70°, еще более предпочтительно β<50°. Специалисту в рассматриваемой области техники понятно, что стабилизаторы 6 могут проходить под различными углами β относительно друг друга для решения задачи изобретения, например, даже параллельно друг другу при β=0°. Испытания показывают, что преимущественным является β>0° и расположение стабилизаторов 6 относительно близко друг к другу для формирования своего рода проточного туннеля в пространстве между двумя стабилизаторами 6, что обеспечивает синергетический эффект относительно потока воды, проходящего вокруг стабилизаторов 6. Поэтому, расстояние δ между внутренними частями центральной плоскости 65 стабилизаторов 6 для достижения выгоды должно быть, преимущественно, меньше, чем диаметр Dp гондольного корпуса 4, предпочтительно 0,1 Dp<δ<0,7 Dp, предпочтительнее 0,2 Dp<δ<0,4 Dp, и при этом угол β, предпочтительно, такой, что точка пересечения центральных линий 65 стабилизаторов 6 расположена выше горизонтальной центральной плоскости гондольного корпуса 4.
f
d
f
d
f
f
d
f
Оба стабилизатора, предпочтительно, выполнены в форме обтекаемых крыловидных профилей, имеющих максимальную толщину t и имеющих боковую площадь А, проецируемую вдоль вертикальной продольной плоскости 30. Размах S стабилизатора должен, предпочтительно, составлять примерно от 40% до 100% и, еще более предпочтительно, от 60% до 95% от радиуса R гребного винта 7. Стабилизаторы 6 выступают на вертикальное расстояние L от самой низкой поверхности 42 гондольного корпуса 4, причем, предпочтительно, 0,1 S<L<0,7 S и, еще предпочтительнее, 0,3 S<L<0,6 S.
d
tot
tot
tot
tot
d
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения, изображенным на фиг. 1 и 2, стабилизаторы 6 имеют переднюю часть 61, выступающую вниз и назад, образуя угол α относительно вертикальной оси, причем угол α, предпочтительно, находится в диапазоне 0-80° и, предпочтительнее, 30-60°. Кроме того, кормовые части 62 выступают вниз и назад, образуя угол γ относительно вертикальной оси, который предпочтительно меньше, чем угол α (в любом направлении относительно вертикали) переднего части 61, предпочтительно находится в диапазоне 0-70° и, предпочтительнее, 20-50°. Благодаря такой конструкции может быть обеспечено воздействие на большую площадь стабилизаторов (по сравнению с конструкцией без угла) в пределах вертикального пространства, ограниченного желательным уровнем глубины, например, L. Благодаря предложенному изобретению обеспечено преимущественное влияние на крутящий момент управления гондолой, то есть благодаря конструкции с двойным стабилизатором в кормовой части винторулевой колонки. По сравнению с традиционной конфигурацией с одиночным стабилизатором (см. фиг. 3) вдоль продольной вертикальной плоскости 30 проецируется большая суммарная площадь A стабилизаторов. В общих терминах, A=2×А, что означает, что гораздо большая площадь A может быть активной по сравнению с одиночным стабилизатором. Кроме того, указанная большая площадь A может быть обеспечена и при том, что стабилизаторы 6 выступают на вертикальное расстояние L, которое значительно меньше аналогичного расстояния для одиночного стабилизатора.
На фиг. 4 схематично изображены виды стабилизаторов 6, на которых представлены результаты анализа зон низкого давления при угле управления 7,5°, на фиг. 4 слева - для предложенной конструкции и справа - для одиночного стабилизатора. На фигуре изображено пять зон 61а-61е кавитации (от более сильной к более слабой). Как показано на данной фигуре, в предложенной конструкции кавитационные характеристики лучше. Ширина 61 кавитационной части двойного стабилизатора 6 значительно меньше, чем аналогичная ширина 61' одиночного стабилизатора. Благодаря этому результату легко может быть достигнут больший угол управления без кавитации.
Указанными превосходными кавитационными характеристиками также можно частично пожертвовать для еще большего увеличения эффективности гидродинамического устройства с помощью выполнения стабилизаторов относительно более тонкими. То есть, стабилизаторы 6 проектируют с такой толщиной t, которая является относительно меньшей в соотношении с длиной С потока по сравнению с традиционным одиночным стабилизатором, причем соотношение t/C, предпочтительно, находится в диапазоне 0,05-0,03 и, предпочтительнее, 0,1-0,2.
На фиг. 5 представлен график, на котором показаны результаты испытаний относительно крутящего момента управления при различных углах управления для винторулевой колонки, соответственно, без стабилизатора (кривая А), с традиционным одиночным стабилизатором (кривая В) и с предложенной конструкцией с двумя стабилизаторами (кривая С). Как показано, гораздо лучший эффект достигается с помощью предложенного изобретения. Показаны значительные различия, например, следует отметить что, если в качестве эталона для крутящего момента используется гондола без стабилизатора, то есть с максимумом равным 1, то гондола с одним стабилизатором представляет максимум 0,5, а в предложенном изобретении максимум составляет всего 0,3.
Диаметр D гребного винта, предпочтительно, находится в диапазоне от 1 до 10 метров, наиболее предпочтительно от 1,5 до 8 метров.
Горизонтальная протяженность С, предпочтительно, находится в таком диапазоне, что соотношение C/R составляет от 0,4 до 0,8.
В одном предпочтительном варианте выполнения предложенного изобретения диаметр Dp гондольного корпуса 4 находится в диапазоне 0,4 R - 1,2 R и, предпочтительнее, в диапазоне 0,5 R - R.
Кроме того, сама шейка 2 гондолы и/или переходная зона между гондольным корпусом 4 и шейкой 2 может быть, предпочтительно, выполнена с обеспечением возможности достижения еще большего уменьшения азимутального крутящего момента - путем выполнения дополнительных областей и/или своего рода лопатки, расположенной вдоль верхней части гондольного корпуса 4, с помощью чего эффективность устройства будет дополнительно слегка увеличена.
На фиг. 6 представлен график, на котором показаны результаты испытаний относительно эффективности при различных положениях пересечения оси стабилизатора для винторулевой колонки, выполненной с предложенной конструкцией с двумя стабилизаторами. Как показано, преимущественным является наличие стабилизаторов 6, пересекающихся в точке над горизонтальной центральной плоскостью (включающей центральную линию 3В) гондольного корпуса 4, и использование тонких стабилизаторов. Были испытаны три различных варианта, в том числе две различных варианта стабилизаторов, первый вариант - графики а) и с), имеющий первую толщину t1 стабилизаторов, и второй вариант - график b), имеющий вторую толщину t2 стабилизаторов, причем t2 больше t1. В других аспектах конструкции стабилизаторов являются одинаковыми. Кроме того, на графике с) представлен вариант, в котором гондольный корпус имеет неоднородности (например, головки болтов) возле стабилизаторов, которые создают дополнительную турбулентность. Все три варианта а), b) и с), были испытаны при условии, что их точка А пересечения (см. фиг. 2) центральных линий 65 расположена в указанной центральной плоскости, а точка В пересечения - на расстоянии 0,3 Dp над указанной центральной плоскостью, соответственно. Еще два набора из наборов стабилизаторов а) и b) были испытаны при условии, что их точка С пересечения центральных линий 65 расположена на расстоянии 0,6 Dp над указанной центральной плоскостью. Из испытаний понятно, что эффективность выше, если точка пересечения находится выше указанной центральной плоскости, и является наилучшей, когда точка пересечения находится на расстоянии примерно 0,3 Dp над указанной центральной плоскостью. Кроме того, из испытаний понятно (см. график а) и график b)), что эффективность выше, когда используют более тонкие стабилизаторы. И, наконец, испытания показывают (см. график с)), что эффективность повышается еще больше, если гондольный корпус имеет неоднородности для позиционирования стабилизаторов, например, если их точка пересечения находится выше указанной центральной плоскости (см. точку А и В). Точка А, В, С пересечения центральных линий 65 стабилизаторов 6, предпочтительно, расположена на расстоянии от 0,1 Dp до 0,7 Dp гондольного корпуса 4 над горизонтальной центральной плоскостью гондольного корпуса 4, предпочтительно, на расстоянии от 0,2 Dp до 0,5 Dp.
Изобретение не ограничено предшествующим описанием и может варьироваться в пределах объема правовой защиты, определенного формулой изобретения. Например, понятно, что специалисту известно, что есть широкий выбор различных материалов, которые могут использоваться для выполнения функции стабилизатора 6, однако, металл, например, сталь, часто является предпочтительным. Кроме того, в некоторых применениях стабилизатор может быть изогнут или закручен для встречи потока таким образом, чтобы повышать эффективность при малых углах управления.