СУДНО И СПОСОБ, ПРИМЕНЯЕМЫЙ В СУДНЕ С КОРПУСОМ И ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ
VESSEL AND METHOD APPLICABLE THEREIN WITH HULL AND PROPULSION SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к судну с корпусом и двигательной установкой.
Данное изобретение также относится к способу, применяемому в судне с корпусом и двигательной установкой.
Уровень техники
В патентной публикации WO 2013/039443 раскрыт способ и устройство для защиты электрического двигателя в гондоле, сообщающей движение морским судам, от ударных нагрузок, приводящих к изгибу вала, когда лопасти гребного винта гондолы ударяются о глыбы льда или другие твердые предметы. Электрический двигатель содержит приводной вал, ротор и статор. Ударные нагрузки часто приводят к кратковременному изгибу вала до такой степени, что ротор входит в контакт со статором. Препятствование вредоносному контакту ротора со статором осуществляют посредством по меньшей мере двух элементов, которые вместе образуют радиальный подшипник, соединяющий дугообразные поверхности подшипника. При нормальной работе электрического двигателя поверхности подшипника отстоят друг от друга с зазором и входят в контакт друг с другом только при экстремальных нагрузках короткой продолжительности. Один из указанных элементов представляет собой внутренний элемент, имеющий внешнюю окружность, которая составляет одну из поверхностей подшипника. Дугообразная поверхность внутреннего элемента соосна с ротором и выполнена с возможностью вращения с ним. Другой из элементов представляет собой наружный элемент, который зафиксирован относительно статора. Дугообразная поверхность подшипника наружного элемента соосна со статором.
Сущность изобретения
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать судно и способ, применяемый в судне с корпусом и двигательной установкой.
Судно с корпусом и двигательной установкой согласно изобретению раскрыто в пункте 1 формулы изобретения.
Способ в судне с корпусом и двигательной установкой согласно изобретению раскрыт в пункте 17 формулы изобретения.
Судно содержит корпус и двигательную установку, содержащую:
полый кронштейн с верхней частью и нижней частью, причем верхняя часть прикреплена с возможностью поворота к корпусу судна и образует опорное плечо для нижней части, при этом нижняя часть образует продольный отсек, имеющий первый конец и второй противоположный конец,
вал гребного винта, имеющий осевую центральную линию, расположенный в нижней части кронштейна и поддерживаемый в нижней части кронштейна подшипниками, расположенными на расстоянии друг от друга в осевом направлении,
гребной винт, прикрепленный по меньшей мере к одному концу вала гребного винта, выходящего из нижней части кронштейна,
двигатель, приводящий в движение вал гребного винта,
дополнительную опорную конструкцию, расположенную по меньшей мере в одной концевой части вала гребного винта по направлению оси снаружи подшипников, причем указанная опорная конструкция содержит:
первую опорную поверхность, выполненную соединенной с валом гребного винта или с деталью, прикрепленной к валу гребного винта, так, что первая опорная поверхность может вращаться вместе с валом гребного винта,
вторую опорную поверхность, сопрягаемую с первой опорной поверхностью и выполненную соединенной с нижней частью кронштейна или с деталью, прикрепленной к нижней части кронштейна, так, что вторая опорная поверхность неподвижна относительно вращающегося вала гребного винта, при этом
вторая опорная поверхность расположена на заданном расстоянии от первой опорной поверхности с образованием зазора между первой опорной поверхностью и второй опорной поверхностью, обращенными друг к другу, при этом
изгиб вала гребного винта из-за внешних нагрузок, воздействующих на гребной винт, ограничен опорными поверхностями до заданного максимального значения.
Способ, применяемый в судне с корпусом и двигательной установкой, содержащей:
полый кронштейн с верхней частью и нижней частью, причем верхняя часть прикреплена с возможностью поворота к корпусу судна и образует опорное плечо для нижней части, при этом нижняя часть образует продольный отсек, имеющий первый конец и второй противоположный конец,
вал гребного винта, имеющий осевую центральную линию, расположенный в нижней части кронштейна и поддерживаемый в нижней части кронштейна подшипниками, расположенными на расстоянии друг от друга по направлению оси,
гребной винт, прикрепленный по меньшей мере к одному концу вала гребного винта, выходящего из нижней части кронштейна,
двигатель, приводящий в движение вал гребного винта,
дополнительную опорную конструкцию, расположенную по меньшей мере в одной концевой части вала гребного винта по направлению оси снаружи подшипников, причем указанная опорная конструкция содержит:
первую опорную поверхность, выполненную соединенной с валом гребного винта или с деталью, прикрепленной к валу гребного винта, так, что первая опорная поверхность может вращаться вместе с валом гребного винта,
вторую опорную поверхность, сопрягаемую с первой опорной поверхностью и выполненную соединенной с нижней частью кронштейна или с деталью, прикрепленной к нижней части кронштейна, так, что вторая опорная поверхность неподвижна относительно вращающегося вала гребного винта, при этом
способ содержит следующие шаги:
располагают вторую опорную поверхность на заданном расстоянии от первой опорной поверхности с образованием зазора между первой опорной поверхностью и второй опорной поверхностью, обращенными друг к другу,
посредством опорных поверхностей ограничивают изгиб вала гребного винта, вызванный внешними нагрузками, воздействующими на гребной винт, до заданного максимального значения, при этом указанное максимальное значение задают посредством задания расстояния между опорными поверхностями.
Радиальные силы, воздействующие на гребной винт на конце вала гребного винта, могут привести к изгибу вала гребного винта. Также осевые силы, воздействующие на какую-либо сторону гребного винта, могут привести к изгибу вала гребного винта. Вал гребного винта подвержен большим изгибающим силам, например, когда судно поворачивает по S-образной траектории на полном ходу, либо преднамеренно при испытаниях согласно Международной конвенции по охране человеческой жизни на море (SOLAS), либо в море при попытке избежать происшествия. Эти изгибающие силы возникают в свою очередь из-за сил, воздействующих на гребной винт. Вал гребного винта также подвергнут большим ударным изгибающим нагрузкам, когда гребной винт ударяется о глыбы льда или другие твердые объекты.
Использование первой опорной поверхности, прикрепленной к вращающемуся валу гребного винта и второй опорной поверхности, прикрепленной к неподвижному кронштейну так, что указанные опорные поверхности расположены на заранее заданном расстоянии друг от друга, является эффективным средством ограничения изгиба вала гребного винта.
Опорные поверхности могут быть выгодным образом соединены со ступицей гребного винта. Ступица гребного винта прикреплена к наружному концу вала гребного винта, а лопасти гребного винта прикреплены к ступице гребного винта. Опорные поверхности ограничивают изгиб наружного конца вала гребного винта, вызванного силами, воздействующими через гребной винт на наружный конец вала гребного винта. Осевое положение опорных поверхностей очень близко к осевому положению точки, в которой изгибающие силы воздействуют на вал гребного винта.
У ступицы гребного винта диаметр больше по сравнению с валом гребного винта. Опорные поверхности, таким образом, могут быть расположены радиально дальше относительно вала гребного винта, что позволяет использовать большие по площади области опорных поверхностей, т.е. большие области опорных поверхностей, воспринимающие нагрузку. Опорные поверхности могут быть легко сделаны достаточно большими, чтобы выдерживать большие силы. Это особенно выгодно в случаях, где одна из опорных поверхностей изготовлена из более мягкого материала подшипника по сравнению с противоположной опорной поверхностью. Использование более мягких материалов подшипника может потребовать, чтобы поверхностное давление в месте контакта первой опорной поверхности со второй опорной поверхностью было ограничено значением ниже, например, 30 МПа.
Глубина зазора между опорными поверхностями может быть задана таким образом, чтобы вредоносный изгиб вала гребного винта был устранен. Изгиб вала гребного винта вредоносен в двигательной установке, в которой вал гребного винта проходит через электрический двигатель, приводящий в движение гребной винт. Изгиб вала гребного винта также вредоносен в двигательной установке, в которой вал гребного винта приводится в движение вторым валом через трансмиссию, а второй вал приводится в движение электрическим двигателем или двигателем внутреннего сгорания.
В двигательной установке, в которой вал гребного винта проходит через электрический двигатель, наружная поверхность вращающегося ротора может войти в контакт с внутренней поверхностью неподвижного статора, когда вал гребного винта изгибается слишком сильно. Контакт между ротором и статором электрического двигателя приводит к сильным повреждениям и поэтому не допустим. Изгиб вала гребного винта может также привести к контакту статора и ротора в машине возбуждения, когда используют синхронный электрический двигатель. Изгиб вала гребного винта может также привести к контакту уплотнений, расположенных на валу гребного винта. Изгиб вала гребного винта также уменьшает допускаемую нагрузку подшипников, особенно упорного подшипника вала гребного винта.
В двигательной установке, в которой вал гребного винта проходит через электрический двигатель, воздушный зазор между ротором и статором в электрическом двигателе должен быть достаточно большим, чтобы предотвратить контакт между ротором и статором в указанных экстремальных ситуациях, когда вал гребного винта изгибается. Большой воздушный зазор между ротором и статором, с другой стороны, уменьшает КПД особенно асинхронного электрического двигателя в диапазоне размеров от 1 до 10 МВт.
Синхронные электрические двигатели, снабженные блоком возбуждения, с другой стороны, часто используются в диапазоне размеров от 10 МВт. Воздушный зазор между ротором и статором в блоке возбуждения должен быть достаточно большим во избежание контакта при изгибе вала гребного винта. Большой воздушный зазор между ротором и статором в блоке возбуждения уменьшает КПД блока возбуждения. Меньший воздушный зазор в блоке возбуждения позволяет использовать меньшее напряжение в блоке возбуждения или использовать более короткий блок возбуждения, или увеличить отдаваемую мощность существующего блока возбуждения. Также возможно использовать блок возбуждения с меньшим диаметром, когда диаметр вала гребного винта может быть уменьшен.
В двигательной установке, в которой вал гребного винта приводится в движение вторым валом через трансмиссию, а второй вал приводится в движение электрическим двигателем или двигателем внутреннего сгорания, изгиб вала гребного винта вызывает неравномерную нагрузку трансмиссии между валом гребного винта и вторым валом. Неравномерная нагрузка трансмиссии может также привести к изгибу второго вала, что в свою очередь приводит к проблемам электрического двигателя, приводящего в движение второй вал, если второй вал проходит через электрический двигатель. Изгиб второго вала может также привести к возможным проблемам в трансмиссии на верхнем конце второго вала.
Классификационные общества требуют, чтобы двигательная установка могла выдерживать силы, например, в ситуации с торможением лопасти согласно инструкциям SOLAS. Прочность вала гребного винта обычно значительно превышает возможные воздействующие силы, чтобы выдерживать эти силы, не изгибаясь слишком сильно.
Опорные поверхности также приводят к уменьшению радиальных сил, воздействующих на радиальный подшипник вала гребного винта, ближайший к ступице гребного винта. Этот радиальный подшипник должен быть выбран таким в судах ледового класса, чтобы он мог выдерживать экстремальные нагрузки, вызванные ударами льда о гребной винт. Опорные поверхности, таким образом, позволяют использовать меньший размер подшипника, ближайшего к ступице гребного винта, по сравнению с ситуацией, в которой опорные поверхности не используются.
Использование опорных поверхностей также способствует надлежащему функционированию упорного подшипника, принимающего осевые нагрузки вала гребного винта. Уменьшение максимального изгиба линии вала в особо значимых случаях помогает упорному подшипнику выдерживать более высокие нагрузки со схожим запасом прочности. Это особенно полезно тогда, когда используют узлы упорных подшипников на основе роликовых подшипников, и когда используют узлы гидродинамических подшипников, содержащие упорные подшипники скольжения. Вкладыши упорного подшипника изнашиваются и пластически деформируются быстрее из-за неравномерной нагрузки, когда изгиб/нелинейность вала гребного винта велики. Износостойкость подшипника гребного винта увеличивается, если нелинейность вала гребного винта сохраняют на малом уровне.
Использование опорных поверхностей также оказывает позитивное влияние на уплотнения на вале гребного винта. На вале гребного винта могут использоваться стандартные уплотнения. Таким образом, нет никакой потребности использовать специальные виды уплотнений, которые в состоянии выдерживать большой изгиб вала гребного винта, вызывающий широкие радиальные движения уплотняющих структур.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение раскрыто более подробно на основании предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
На фиг. 1 показан поперечный разрез двигательной установки судна, в котором может быть применено изобретение.
На фиг. 2 показан поперечный разрез другой двигательной установки судна, в котором может быть применено изобретение.
На фиг. 3 показан первый вариант осуществления конструкции согласно изобретению.
На фиг. 4 показан второй вариант осуществления конструкции согласно изобретению.
На фиг. 5 показан третий вариант осуществления конструкции согласно изобретению.
На фиг. 6 показан фрагмент возможной конструкции согласно изобретению.
На фиг. 7 показан фрагмент другой возможной конструкции согласно изобретению.
Подробное раскрытие изобретения
На фиг. 1 показан поперечный разрез двигательной установки судна, в котором может быть применено изобретение. Двигательная установка 20 содержит полый кронштейн 21, содержащий верхнюю часть 22 и нижнюю часть 23, вал 41 гребного винта, гребной винт 80 и электрический двигатель 30. Двигательная установка 20 содержит тянущий гребной винт 80, а значит, направление движения судна 10 вперед соответствует первому направлению L1. Также, вместо указанного, двигательная установка 20 может содержать толкающий гребной винт 80, а значит, направление движения судна 10 вперед соответствует второму направлению L2, противоположному первому направлению L1.
Верхняя часть 22 кронштейна 21 образует опорное плечо, поддерживающее нижнюю часть 23 кронштейна. Нижняя часть 23 кронштейна 21 образует продольный отсек, имеющий первый конец 23А и второй противоположный конец 23 В. Двигательная установка 20 прикреплена с возможностью вращения через зубчатое колесо 25 и через верхнюю часть 22 кронштейна 21 к судну 10 так, что она может поворачивать на 360 градусов вокруг центральной оси Y-Y вращения. Под зубчатым колесом обычно расположен опорно-поворотный подшипник, а под опорно-поворотным подшипником (не показан на фигурах) - поворотное уплотнение. Опорно-поворотный подшипник делает возможным поворот двигательной установки 20 вокруг центральной оси Y-Y, а поворотное уплотнение изолирует отверстие, через которое верхняя часть 22 кронштейна проходит через корпус 11 судна 10.
Электрический двигатель 30, содержащий ротор 31, статор 32 и воздушный зазор G между ротором 31 и статором 32, расположен в нижней части 23 кронштейна 21.
Вал 41 гребного винта проходит через электрический двигатель 30 и с возможностью вращения поддерживается подшипниками 51, 52 в нижней части 23 кронштейна 21. Вал 41 гребного винта имеет первый конец 41А и второй противоположный конец 42B, выходящий из второго конца 23B нижней части 23 кронштейна 21. Вал 41 гребного винта может быть единым валом или может быть разделен на несколько частей.
Гребной винт 80, содержащий ступицу 81 гребного винта и лопасти 82 гребного винта, соединен со вторым концом 41B вала 41 гребного винта снаружи второго конца 23B нижней части 23 кронштейна 21. Осевая центральная линия Х-Х вала 41 образует линию вала. Ступица 81 гребного винта и лопасти 82 гребного винта могут быть выполнены в виде одного компонента или в виде отдельных компонентов.
Подшипники 51, 52 вала 41 гребного винта расположены на противоположных сторонах электрического двигателя 30 относительно оси Х-Х. Первый подшипник 51 во втором конце 23B нижней части 23 кронштейна 21 представляет собой выгодным образом радиальный подшипник. Второй подшипник 52 во втором конце 23А нижней части 23 кронштейна 21 представляет собой выгодным образом гидродинамический подшипник, содержащий радиальный подшипник и упорный подшипник скольжения, или он может состоять из роликовых подшипников различного типа и различного количества. Упорный подшипник скольжения или комбинация различных роликовых подшипников воспринимают осевые нагрузки вала 41 гребного винта.
На фиг. 2 показан поперечный разрез другой двигательной установки судна, в котором может быть применено данное изобретение. Эта двигательная установка 20 представляет собой тяговый аппарат, содержащий полый кронштейн 21, имеющий верхнюю часть 22 и нижнюю часть 23, вал 41 гребного винта, второй вал 61, трансмиссию 44, 64, гребной винт 80, кольцевое сопло 90 и электрический двигатель 30. Двигательная установка 20 содержит толкающий гребной винт 80, а значит, направление движения судна 10 вперед соответствует первому направлению L1. Также, вместо указанного, двигательная установка 20 может содержать тянущий гребной винт 80, а значит, направление движения судна 10 вперед соответствует второму направлению L2, противоположному первому направлению L1.
Верхняя часть 22 кронштейна 21 образует опорное плечо, поддерживающее нижнюю часть 23 кронштейна 21. Нижняя часть 23 кронштейна 21 образует продольный отсек, имеющий первый конец 23А и второй противоположный конец 23B. Двигательная установка 20 прикреплена с возможностью вращения через зубчатое колесо 25 и через верхнюю часть 22 кронштейна 21 к судну 10 так, что она может поворачивать на 360 градусов вокруг центральной оси Y-Y вращения.
Вал 41 гребного винта с возможностью вращения поддерживается подшипниками 51, 52 в нижней части 23 кронштейна 21. Вал 41 гребного винта содержит первый конец 41А и второй противоположный конец 42B, выходящий из второго конца 23B нижней части 23 кронштейна 21. Гребной винт 80, содержащий ступицу 81 гребного винта и лопасти 82 гребного винта, соединен со вторым концом 41B вала 41 гребного винта снаружи второго конца 23B нижней части 23 кронштейна 21. Осевая центральная линия Х-Х вала 41 гребного винта образует линию вала.
Подшипники 51, 52 вала 41 гребного винта расположены на расстоянии друг от друга по направлению оси Х-Х. Первый подшипник 51 во втором конце 23B нижней части 23 кронштейна 21 представляет собой выгодным образом радиальный подшипник. Второй подшипник 52 в первом конце 23А нижней части 23 кронштейна 21 представляет собой выгодным образом гидродинамический подшипник, содержащий радиальный подшипник и упорный подшипник скольжения, или он может состоять из роликовых подшипников различного типа и количества, воспринимающих осевые и радиальные силы, например так называемый нагруженный подшипник. Упорный подшипник скольжения или комбинация роликовых подшипников воспринимают осевые нагрузки вала 41 гребного винта.
Второй вал 61 имеет первый конец 61А и второй противоположный конец 61B. Второй вал 61 проходит вертикально в первой части 22 кронштейна 21 и имеет центральную линию Y-Y, совпадающую с центральной осью Y-Y вращения кронштейна 21. Второй вал 61 с возможностью вращения поддерживается подшипниками 71, 72 в верхней части 22 кронштейна 21.
Трансмиссия 44, 64 соединяет нижний первый конец 61А второго вала 61 с валом 41 гребного винта. Трансмиссия 44, 64 выполнена в виде первой шестерни 44, прикрепленной к валу 41 гребного винта, и второй шестерни 64, прикрепленной к первому концу 61А второго вала 61. Зубья на периферии шестерней 44, 64 находятся в контакте друг с другом таким образом, что вращающийся второй вал 61 приводит во вращение вал 41 гребного винта. Электрический двигатель 30 вращает второй вал 61 с первой скоростью вращения, а вал 41 гребного винта вращается со второй скоростью вращения, заданной трансмиссией 44, 64, т.е. диаметрами делительной окружности шестерней 44, 64. Вторая скорость вращения ниже первой скорости вращения. Таким образом, гребной винт 80 приводится в движение электрическим двигателем 30 на скорости, которая ниже скорости вращения электрического двигателя 30.
Гребной винт 80, содержащий ступицу 81 гребного винта, снабженную лопастями 82 гребного винта, прикреплен к наружному второму концу 41B вала 41 гребного винта снаружи второго конца 23B нижней части 23 кронштейна 21. Гребной винт 80 может также представлять собой гребной винт моноблочного типа, в котором ступица 81 гребного винта и лопасти 82 гребного винта интегрированы в моноблочную конструкцию. Гребной винт 80 вращается с валом 41 гребного винта.
Кольцевое сопло 90 неподвижно удерживается на кронштейне 21. Осевая центральная линия Х-Х вала 41 гребного винта образует также осевую центральную линию кольцевого сопла 90. Кольцевое сопло 90 окружает наружный периметр гребного винта 80 и образует канал 95 с осевой траекторией потока воды, протекающей через внутреннюю часть кольцевого сопла 90. Кольцевое сопло 90 прикреплено к кронштейну 21 посредством первой опорной детали 93 и второй опорной детали 94. Вращающийся гребной винт 80 вынуждает воду протекать через центральный канал 95 от первого конца 91 центрального канала 95 ко второму концу 92 центрального канала 95 во втором направлении S2, которое противоположно первому направлению S1. Тяга, создаваемая гребным винтом 80, усиливается кольцевым соплом 90 на малых скоростях.
Электрический двигатель 30 расположен в верхней части 22 кронштейна 21. Электрический двигатель 30 содержит ротор 31, статор 32, окружающий ротор 31, и воздушный зазор G между ротором 31 и статором 32. Ротор 31 электрического двигателя 30 проходит вдоль центральной линии Y-Y второго вала 61. Ротор 31 электрического двигателя 30 прикреплен ко второму валу 61, проходящему через электрический двигатель 30, так, чтобы второй вал 61 вращался вместе с ротором 31 электрического двигателя 30. Таким образом, вращение ротора 31 электрического двигателя 30 преобразуют во вращение второго вала 61. Таким образом, вращение ротора 31 электрического двигателя 30 передают через второй вал 61, трансмиссию 44, 64 и вал 41 гребного винта к гребному винту 80. Электрический двигатель 30 приводит в движение гребной винт 80.
В качестве альтернативы, электрический двигатель 30 может быть расположен в корпусе 11 судна 10. В случае если электрический двигатель 30 расположен в корпусе 11 судна 10, он может быть заменен двигателем внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может иметь вертикальный вал, а значит, второй вал 61 может быть соединен через трансмиссию в корпусе 11 судна 10 с горизонтальным валом двигателя внутреннего сгорания. В случае если электрический двигатель 30 расположен в корпусе 11 судна 10, он может быть расположен горизонтально, а не вертикально. Электрический двигатель 30 может иметь вертикальный вал, а значит, второй вал 61 может быть соединен через трансмиссию в корпусе 11 судна 10 с горизонтальным валом электрического двигателя 30.
Двигательная установка 20 может быть также изменена таким образом, что кольцевое сопло 90 исключают.
На фиг. 3 показан первый вариант осуществления согласно изобретению. На фиг. показаны электрический двигатель 30, вал 41, ступица 81 гребного винта и подшипники 51, 52. Дополнительная опорная конструкция вала 41 выполнена в виде двух опорных поверхностей 110, 120, соединенных со ступицей 81 гребного винта. Первая опорная поверхность 110 образована цилиндрической внутренней поверхностью подшипника на ступице 81 гребного винта. Первая опорная поверхность 110 вращается со ступицей 81 гребного винта. Вторая опорная поверхность 120 образует цилиндрическую наружную поверхность подшипника на раме кронштейна 21. Вторая опорная поверхность 120 неподвижна относительно вращающейся ступицы 81 гребного винта. Между первой опорной поверхностью 110 и второй опорной поверхностью 120 образован радиальный зазор D1. Морская вода может проходить через промежуток O1 между ступицей 81 гребного винта и кронштейном 21 в радиальный зазор S1 между первой опорной поверхностью 110 и второй опорной поверхностью 120 и, таким образом, смазывать первую опорную поверхность 110 и вторую опорную поверхность 120.
На фиг. 4 показан второй вариант осуществления конструкции согласно изобретению. Этот второй вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что дополнительная опорная конструкция содержит опорные поверхности 110A, 110В, 120А, 120В на каждом конце вала 41 гребного винта. Это - следствие того факта, что на каждом конце вала 41 гребного винта, т.е. на каждом конце нижней части 23 кронштейна 21, есть гребной винт. Каждая ступица 81A, 81B гребного винта снабжена первой опорной поверхностью 110A, 110В и второй опорной поверхностью 120А, 120B таким же образом, как и в первом варианте осуществления. Между опорными поверхностями 110A, 120А, 110В, 120B образован радиальный зазор S1 шириной W1 в осевом Х-Х направлений и высотой D1 в радиальном направлении.
На фиг. 5 показан третий вариант осуществления конструкции согласно изобретению. Этот третий вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что дополнительная опорная конструкция содержит опорные поверхности 110, 120 на первом конце 41А вала 41 гребного винта. Первая опорная поверхность 110 расположена на цилиндрической детали 42, прикрепленной к первому концу 41А вала 41 гребного винта. Вторая опорная поверхность 120 окружает первую опорную поверхность 110 и прикреплена к нижней части 23 кронштейна 21. Между опорными поверхностями 110, 120 образован радиальный зазор S1 шириной W1 в осевом Х-Х направлении и глубиной D1 в радиальном направлении. Радиальный зазор S1 может быть пустым, т.е. заполненным воздухом, или смазанным водой, или смазанным маслом, или смазанным смазкой, или смазанным какой-либо другой смазывающей средой.
Третий вариант осуществления может быть естественным образом модифицирован таким образом, чтобы опорная конструкция содержала опорные поверхности 110, 120 также на первом конце 41А вала 41 гребного винта. Опорные поверхности 110, 120 на первом конце 41А вала 41 гребного винта могут быть выполнены соединенными со ступицей 81 гребного винта таким же образом, как и в первом варианте осуществления.
В вариантах осуществления, показанных на фиг. 2-4, опорные поверхности 110, 120 на первом конце 41А вала 41 гребного винта соединены со ступицей 81 гребного винта. В отличие от указанного, опорные поверхности 110, 120 могут быть также соединены с валом 41 гребного винта в осевом Х-Х положении между первым подшипником 51 и ступицей 81 гребного винта. Первая опорная поверхность 110 может быть расположена на наружной поверхности цилиндра, прикрепленного к валу 41 гребного винта, а вторая опорная поверхность 120 может окружать первую опорную поверхность 110 и быть прикреплена к нижней части 23 кронштейна 21.
На фиг. 6 показан фрагмент одной возможной конструкции согласно изобретению. Цилиндрическая первая опорная поверхность 110 расположена на вращающейся ступице 81 гребного винта, а цилиндрическая вторая опорная поверхность 120 расположена на неподвижном кронштейне 21. Первая опорная поверхность 110 и вторая опорная поверхность 120 соосны с центральной осью Х-Х вала 41 гребного винта. Таким образом, между двумя цилиндрическими опорными поверхностями 110, 120 образован кольцеобразный зазор S1. Зазор S1 имеет глубину D1 в радиальном направлении, которая образована расстоянием между первой опорной поверхностью 110 и второй опорной поверхностью 120 в радиальном направлении. Зазор S1 также имеет ширину W1 в осевом Х-Х направлении. Первая опорная поверхность 110 образована непосредственно на ступице 81 гребного винта, т.е. не в виде отдельной детали, образующей первую опорную поверхность 110. Вторая опорная поверхность 120 образована цилиндрическим первым опорным элементом 130, имеющим фланец 131 на наружном конце опорного элемента 130. Первый опорный элемент 130 прикреплен осевыми Х-Х болтами 150 от фланца 131 к кронштейну 21, а значит, первый опорный элемент 130 может быть заменен. Глубина D1 зазора S1 в радиальном направлении задана таким образом, что изгиб вала 41 гребного винта ограничен заранее заданным значением. Первая опорная поверхность 110 входит в контакт со второй опорной поверхностью 120 по достижении заранее заданного значения изгиба вала 41 гребного винта. Вал 41 гребного винта не может изогнуться больше заранее заданного значения. Тросовый резак 170 также может быть встроен в эту конструкцию. Тросовый резак 170 обрезает любой трос, наматывающийся в промежутке между кронштейном 21 и ступицей 81 гребного винта. Осевая ширина промежутка O1 больше, чем осевое перемещение вала 41 гребного винта во избежание контакта между радиальными поверхностями, ограничивающими промежуток O1. Осевое Х-Х движение вала 41 гребного винта в данной конструкции не ограничено.
Вторая опорная поверхность 120 может быть выполнена слегка конической с расширением наружу по направлению оси Х-Х. Это увеличило бы осевую ширину W1 первой опорной поверхности 110, которая входит в контакт со второй опорной поверхностью 120, когда вал 41 гребного винта изгибается. Угол конуса может быть порядка 0,5-1 градуса.
На фиг. 7 показан фрагмент другой возможной конструкции согласно изобретению. Радиальная первая опорная поверхность 110 расположена на вращающейся ступице 81 гребного винта, а радиальная вторая опорная поверхность 120 расположена на неподвижном кронштейне 21. Первая опорная поверхность 110 и вторая опорная поверхность 120 расположены в параллельных радиальных плоскостях. Таким образом, между двумя радиальными опорными поверхностями 110, 120 образован кольцеобразный зазор S1. Зазор S1 имеет глубину D1 в осевом направлении, которая определена осевым Х-Х расстоянием между первой опорной поверхностью 110 и второй опорной поверхностью 120. Зазор S1 имеет также ширину W1 в радиальном направлении. Первая опорная поверхность 110 образована кольцеобразным вторым опорным элементом 140, имеющим плоскую радиальную первую опорную поверхность 110. Второй опорный элемент 140 прикреплен к ступице 81 радиальными болтами 160, а значит, первый опорный элемент 130 выполнен с возможностью замены. Вторая опорная поверхность 120 образована непосредственно на кронштейне 21, т.е. не в виде отдельной детали, образующей вторую опорную поверхность 120. Глубина D1 зазора S1 в осевом Х-Х направлений задана таким образом, что изгиб вала 41 гребного винта ограничен заранее заданным значением. Первая опорная поверхность 110 входит в контакт со второй опорной поверхностью 120 по достижении заранее заданного значения изгиба вала 41 гребного винта. Также при задании осевой глубины D1 зазора S1 необходимо принять во внимание осевое смещение вала 41 гребного винта. Вал 41 гребного винта не может изогнуться больше заранее заданного значения. Цилиндрическая поверхность ступицы 81 в любом случае не соединится с соответствующей цилиндрической поверхностью нижней части 23 кронштейна 21. Второй опорный элемент 140 может быть также прикреплен к ступице 81 болтами, направленными по направлению оси, а не радиальными болтами 160, как показано на фиг..
Первая опорная поверхность 110 и вторая опорная поверхность 120 могут быть цилиндрическими в вариантах осуществления, раскрытых со ссылками на фиг. 3-6. С другой стороны, первая опорная поверхность 110 и вторая опорная поверхность 120 могут представлять собой радиальные плоскости в варианте осуществления, раскрытом со ссылками на фиг. 7.
Другая возможность заключается в том, чтобы использовать коническую поверхность в вариантах осуществления, раскрытых со ссылками на фиг. 3-6. Коническая вторая опорная поверхность 120 сократилась бы по направлению оси Х-X вовнутрь. Это увеличило бы осевую ширину W1 первой опорной поверхности 110, которая входит в контакт со второй опорной поверхностью 120, когда вал 41 гребного винта изгибается. Угол конуса может составлять порядка 0,5-1 градуса. В ситуации, когда одна из опорных поверхностей 110, 120 цилиндрическая, а другая опорная поверхность 110, 120 коническая, глубина D1 зазора S1 между опорными поверхностями 110, 120 будет варьироваться вдоль осевой ширины W1 зазора S1.
Тот же принцип может быть применен к варианту осуществления, раскрытому со ссылками на фиг. 7. Вторая опорная поверхность 120 может быть слегка наклонена относительно радиальной плоскости. Наклон может быть направлен влево на фиг. 7. Это таким же образом привело бы к увеличению радиальной ширины W1 первой опорной поверхности 110, которая входит в контакт со второй опорной поверхностью 120, когда вал 41 гребного винта изгибается. Наклон может составлять порядка 0,5-1 градуса. В ситуации, когда одна из опорных поверхностей 110, 120 наклонена относительно радиальной плоскости, а другая опорная поверхность 110, 120, лежит в радиальной плоскости, глубина D1 зазора S1 между опорными поверхностями 110, 120 будет варьироваться вдоль радиальной ширины W1 зазора S1.
Вал 41 гребного винта на фигурах поддерживается двумя смещенными по направлению оси Х-Х подшипниками 51, 52 внутри кронштейна 21. Первый подшипник 51 на фиг. 1-4 расположен на валу 41 гребного винта между электрическим двигателем 30 и ступицей 81, а второй подшипник 52 расположен на валу 41 гребного винта по направлению оси Х-Х на противоположной стороне от электрического двигателя 30. Использование двух подшипников 51, 52 является экономичным и простым решением в двигательной установке. Две опорные поверхности 110, 120 также могут естественным образом использоваться в случае, когда вал 41 гребного винта поддерживается больше чем двумя подшипниками.
Первая опорная поверхность 110 и вторая опорная поверхность 120 расположены по направлению оси Х-Х снаружи относительно первого подшипника 51 и/или второго подшипника 52 вала 41 гребного винта.
Первая опорная поверхность 110 и вторая опорная поверхность 120 могут быть расположены таким образом, что по меньшей мере одна из опорных поверхностей 110, 120 образована на опорном элементе 130, 140. Опорный элемент 130, 140 может быть сделан из более мягкого материала по сравнению с противоположной опорной поверхностью 110, 120. Опорный элемент 130, 140 может быть сделан из подшипникового материала, работающего на водяной смазке, например Весконита Хайлуб (Vesconite Hilube). Весконит Хайлуб (Vesconite Hilub) представляет собой долговечный и неприхотливый материал подшипника скольжения, который также демонстрирует превосходные характеристики при смазывании. Весконит Хайлуб (Vesconite Hilube) состоит из усовершенствованного конструкционного термопласта со встроенной внутренней фторопластовой смазкой. Весконит Хайлуб (Vesconite Hilube) обладает низким динамическим трением, даже очень низким динамическим трением. Глубина D1 зазора S1 может быть задана настолько малой, что изгиб вала 41 гребного винта будет ограничен уже в тяжелых рабочих ситуациях. Это позволило бы иметь меньший зазор G между ротором 31 и статором 32 в электрическом двигателе 30, а также в блоке возбуждения. Это могло бы стать решением для судна, работающего в открытых водах, направленным на увеличение тягового КПД. Вместо уменьшения зазора G между ротором 31 и статором 32, можно уменьшить размер вала 41 гребного винта и подшипников 51, 52, в частности первого подшипника 51, являющегося ближайшим к ступице 81.
С другой стороны, первая опорная поверхность 110 и вторая опорная поверхность 120 могут быть устроены таким образом, что обе опорные поверхности 110, 120 выполнены из стали или какого-либо иного неблагородного металла, используемого в конструкциях. Глубина D1 зазора S1 может быть задана настолько большой, что ограничение изгиба вала 41 гребного винта и контакт между опорными поверхностями возникает только в экстремальных ситуациях. Такая конструкция может использоваться, например, на судах, работающих в арктических морях. При ударе гребного винта о лед или некоторый другой твердый объект, например при посадке на мель, возникает большая нагрузка, изгибающая вал гребного винта. Опорные поверхности 110, 120 ограничивают изгиб вала 41 гребного винта только в таких экстремальных ситуациях. Первая опорная поверхность 110 и вторая опорная поверхность 120 могут быть выполнены в виде неразъемной части кронштейна 21 и ступицы 81. Другая возможность состоит в том, чтобы выполнить по меньшей мере одну из опорных поверхностей 110, 120 в виде отдельной опорной детали, прикрепленной к кронштейну 21 и/или к ступице 81, и/или к валу 41 гребного винта.
Выгодно расположить опорные поверхности 110, 120 в соединении со ступицей 81 гребного винта. Диаметр ступицы 81 гребного винта больше диаметра вала 41 гребного винта. Таким образом, опорные поверхности 110, 120 могут быть расположены на большем диаметре, чтобы выдерживать большие силы. Опорные поверхности 110, 120 расположены радиально снаружи наружной поверхности вала 41 гребного винта.
Опорные поверхности 110, 120 могут иметь цилиндрическую форму. Другая возможность состоит в том, что по меньшей мере одна из опорных поверхностей 110, 120 выполнена слегка конической. Еще одна возможность состоит в том, что опорные поверхности 110, 120 выполнены в виде плоских поверхностей в радиальной плоскости. Опорные поверхности 110, 120 могут быть выполнены в виде непрерывных опорных поверхностей, или они могут быть выполнены в виде нескольких сегментов, которые могут представлять собой заменяемые детали.
Опорные поверхности 110, 120 могут быть выполнены из одного и того же металла, или различных металлов, имеющих различную твердость. Другая возможность состоит в том, чтобы одну опорную поверхность 110, 120 выполнить из металла, а другую опорную поверхность 110, 120 - из подшипникового материала, работающего на водяной смазке. Одна или обе опорных поверхности 110, 120 могут быть также покрыты подходящим покрытием, чтобы уменьшить трение между опорными поверхностями 110, 120.
Опорные поверхности 110, 120 могут быть выполнены также таким образом, что глубина D1 между опорными поверхностями 110, 120 может регулироваться. Это может быть достигнуто, например, посредством цилиндров различной толщины для опорных поверхностей 110, 120 в вариантах осуществления, показанных на фиг. 2-5.
Опорные поверхности 110, 120 могут быть выполнены таким образом, что одна или обе из них выполнены в виде отдельной заменяемой детали. Другая возможность состоит в том, что одна или обе из опорных поверхностей 110, 120 выполнены в виде неразъемной части в валу 41 гребного винта или в детали, прикрепленной к валу 41 гребного винта, или в раме кронштейна 21, или в детали, прикрепленной к раме кронштейна 21.
Радиальный зазор S1 между первой опорной поверхностью 110 и второй опорной поверхностью 120 может быть пустым, т.е. заполненным воздухом, или смазанным водой, или смазанным маслом, или смазанным смазкой, или смазанным какой-либо другой смазывающей средой.
Естественным образом обе опорные поверхности 110, 120 также возможно выполнить слегка коническими или слегка наклоненными, а не только одну из опорных поверхностей 110, 120 слегка конической или слегка наклоненной.
Материал и жесткость опорных поверхностей 110, 120 могут быть адаптированы в соответствии с различными требованиями. Опорные поверхности 110, 120 могут проявлять свойства неупругих стенок, или могут обеспечивать более мягкую поддержку при вхождении в контакт друг с другом.
Критерии задания глубины D1 зазора S1 естественным образом отличаются в двигательной установке 20 согласно фиг. 1 и в двигательной установке 20 согласно фиг. 2. Исходная расчетная точка на фиг. 1 - воздушный зазор G между ротором 31 и статором 32 в электрическом двигателе 30. Исходная расчетная точка на фиг. 2 - промежуток в трансмиссии 44, 64 между валом 41 гребного винта и вторым валом 61.
Первая опорная поверхность 110 входит в контакт со второй опорной поверхностью 120, когда вал 41 гребного винта изгибается на заданную величину в результате внешних нагрузок, воздействующих на гребной винт 80. Глубина D1 зазора S1 задает значение, на которое изогнется вал 41 гребного винта перед вхождением в контакт двух опорных поверхностей 110, 120. Между первой опорной поверхностью 110 и второй опорной поверхностью 120 образуется точка приложения нагрузки, когда опорные поверхности 110, 120 входят в контакт друг с другом. Изгиб вала 41 гребного винта, таким образом, ограничен двумя опорными поверхностями 110, 120, образующими точку приложения нагрузки, до заранее заданного максимального значения. Эти две опорных поверхности 110, 120, таким образом, образуют поверхности подшипника скольжения.
2
2
Одна или обе из опорных поверхностей 110, 120 могут быть выполнены из судостроительной стали DH36, которая обычно используется для корпуса судна. Прочность на растяжение судостроительной стали DH36 находится в диапазоне 490-620 Н/мм, твердость находится в диапазоне 150-180 HV (по Викерсу), а предел текучести составляет по меньшей мере 355 Н/мм. Первая опорная поверхность 110 и вторая опорная поверхность 120 могут быть обе сделаны из судостроительной стали DH36, но они могут иметь, тем не менее, различную твердость. Твердость судостроительной стали DH36 может быть увеличена посредством отпуска.
2
Одна или обе из опорных поверхностей 110, 120 могут быть также сделаны из подшипникового материала, работающего на водной смазке, например Vesconite Hilube. Предел текучести Vesconite Hilube составляет 113 Н/мм, а твердость - 82 (по Шору D).
Настоящее изобретение и варианты его осуществления не ограничены примерами, раскрытыми выше, и могут варьироваться в рамках формулы изобретения.