СУДОВАЯ ДВИЖИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА
SHIP PROPULSION SYSTEM

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым движительным установкам.
Аналогом является, например, судовая движительная установка, приведенная в патенте US №3554155, содержащая два корпуса - надводный и подводный, частично погруженный в воду. Надводный корпус неподвижно установлен на палубе судна, а подводный корпус присоединен к надводному корпусу снизу на опоре вращения и может поворачиваться вокруг вертикальной оси относительно надводного корпуса. Нижняя часть подводного корпуса выполнена в виде гондолы. В надводном корпусе размещен горизонтальный входной вал движительной установки, конец которого выведен из надводного корпуса. Приводной двигатель установлен снаружи надводного корпуса, и вал двигателя присоединен к концу входного вала. Входной вал соединен надводным редуктором с вертикальным валом, проходящим вниз, в подводный корпус. Вдоль оси гондолы подводного корпуса размещен горизонтальный выходной вал, который соединен с вертикальный валом подводным редуктором. Конец выходного вала через уплотнение выведен из гондолы, и на выходном валу закреплен гребной винт. Таким образом, при запуске приводного двигателя, установленного снаружи надводного корпуса, вращение вала приводного двигателя через механическую трансмиссию передается на гребной винт, расположенный ниже ватерлинии. С помощью рулевого привода подводный корпус судовой движительной установки вместе с выходным валом и гребным винтом можно поворачивать относительно надводного корпуса вокруг вертикальной оси, изменяя направление тяги гребного винта относительно корпуса судна.
Наиболее близкой к предлагаемой судовой движительной установке является судовая движительная установка, описание конструкции которой приведено в «Вестнике Государственного университета морского и речного флота им. Макарова», выпуск 4 (38) 2016, стр. 164-165. Судовая движительная установка, как и в патенте US №3554155, состоит из двух корпусов, где надводный корпус (в статье он назван сварным корпусом) закреплен неподвижно на палубе судна. Подводный корпус, состоящий из полой стойки, руля и гондолы, присоединен к надводному корпусу снизу на опорах вращения, при этом большая часть подводного корпуса располагается ниже ватерлинии. В надводном корпусе в подшипниках установлен входной (ведущий) горизонтальный вал, один конец которого выведен из надводного корпуса. Снаружи надводного корпуса к концу входного вала присоединен вал приводного двигателя судовой движительной установки, установленного вне надводного корпуса. Внутри надводного корпуса на входном валу закреплено коническое зубчатое колесо. Коническое зубчатое колесо входного вала входит в зацепление с коническим зубчатым колесом, закрепленным на верхнем конце вертикального вала, который проходит вниз через оба корпуса судовой движительной установки - надводный и подводный. Конические зубчатые колеса входного и вертикального валов образуют надводный редуктор судовой движительной установки. Вертикальный вал установлен в надводном и подводном корпусах в подшипниках и имеет возможность вращаться. На нижнем конце вертикального вала закреплено еще одно коническое зубчатое колесо. Внутри гондолы подводного корпуса вдоль продольной оси в подшипниках установлен выходной вал судовой движительной установки. На выходном валу закреплено коническое зубчатое колесо, которое входит в зацепление с коническим зубчатым колесом, закрепленным на нижнем конце вертикального вала. Конические зубчатые колеса вертикального и выходного валов образуют подводный редуктор судовой движительной установки. Конец выходного вала через герметичное уплотнение выведен за пределы гондолы, и на нем закреплен гребной винт. При запуске приводной двигатель вращает входной вал судовой движительной установки, вращение входного вала через надводный редуктор передается на вертикальный вал, от вертикального вала через подводный редуктор вращение передается на выходной вал, расположенный в гондоле, и вместе с выходным валом вращается гребной винт, создавая силу тяги, движущую судно. Величину силы тяги гребного винта можно регулировать, изменяя частоту вращения приводного двигателя и гребного винта. В надводном корпусе установлен рулевой привод. Через редуктор рулевой привод связан с зубчатым колесом, закрепленным на верхней части подводного корпуса. Рулевой привод обеспечивает поворот подводного корпуса вместе с выходным валом и гребным винтом относительно вертикальной оси, совпадающей с осью вертикального вала. При таком повороте подводного корпуса зацепление конических зубчатых колес входного вала с вертикальным валом и вертикального вала с выходным валом судовой движительной установки сохраняется, и передача вращения от приводного двигателя к гребному винту не нарушается. При повороте рулевым приводом подводного корпуса с гребным винтом изменяется направление тяги гребного винта относительно корпуса судна. Таким образом судовая движительная установка выполняет функции движителя и руля судна.
Судовая движительная установка, выполненная по прототипу, обеспечивает хорошую управляемость и маневренность судна, позволяет применять высокооборотные приводные двигатели с малыми габаритами и массой за счет применения надводного и подводного редукторов между приводным двигателем и гребным винтом. Вследствие этих качеств подобные судовые движительные установки широко применяются на судах. Такого типа судовые движительные установки, часто называемые в технической литературе винторулевыми колонками типа «Z-Drive», выпускают, например, фирмы Schottel [www.marine-solutions.de], Steerprop [www.steerprop.com], Thrustmaster of Texas [www. thrustmaster.net] и другие.
Однако недостатком судовой движительной установки, выполненной в соответствии с прототипом, является ограниченная мощность судовой движительной установки и низкая надежность. Все серийные винторулевые колонки, выпускаемые перечисленными выше и другими фирмами, конструкция которых аналогична прототипу, имеют максимальную мощность около 10 мегаватт, что для многих судов недостаточно. Мощность судовых движительных установок, выполненных по прототипу, ограничена прочностью единственной механической трансмиссии, соединяющей приводной двигатель и гребной винт и состоящей из входного вала, надводного редуктора, вертикального вала большой длины, подводного редуктора и выходного вала с гребным винтом. Низкая надежность прототипа обусловлена большим числом механических элементов (конических зубчатых колес и валов) в трансмиссии от приводного двигателя до гребного винта, которые в данной судовой движительной установке не резервируются, и при поломке любого элемента этой трансмиссии судовая движительная установка не сможет функционировать.
Предлагаемое изобретение позволяет создать судовую движительную установку способную развивать на гребных винтах большую мощность и более надежную, чем прототип.
Это достигается тем, что предлагаемая судовая движительная установка, содержащая корпус, часть которого ниже ватерлинии выполнена в виде гондолы, расположенный выше ватерлинии горизонтальный входной вал, с которым соединен вал приводного двигателя, вертикальный вал, соединенный с входным валом надводным редуктором, состоящим из находящихся в зацеплении конического зубчатого колеса, закрепленного на входном валу, и конического зубчатого колеса, закрепленного на верхнем конце вертикального вала, горизонтальный выходной вал, расположенный вдоль оси гондолы и соединенный с вертикальным валом подводным редуктором, состоящим из находящихся в зацеплении конического зубчатого колеса, закрепленного на нижнем конце вертикального вала, и конического зубчатого колеса, закрепленного на выходном валу, при этом конец выходного вала через уплотнение выведен из гондолы и на него установлен гребной винт, рулевой привод, на валу которого закреплено зубчатое колесо, которое входит в зацепление с зубчатым колесом, установленным на корпусе судовой движительной установки, выполнена в виде одного корпуса и приводной электродвигатель размещен внутри этого корпуса, при этом фазы приводного электродвигателя соединены с источником питания, находящимся вне корпуса, через блок контактных колец, установленный на корпусе соосно с вертикальной осью вращения корпуса судовой движительной установки относительно корпуса судна и состоящий из контактных колец и щеток, скользящих по поверхности контактных колец, а на входном валу, соединенном с валом приводного электродвигателя, закреплены два конических зубчатых колеса, которые входят в зацепление с коническими зубчатыми колесами, установленными на верхних концах двух вертикальных валов, образуя два надводных редуктора, на нижнем конце каждого из двух вертикальных валов закреплены конические зубчатые колеса, каждое из которых входит в зацепление с коническим зубчатым колесом, установленным на одном из двух выходных валов, образуя два подводных редуктора, концы двух выходных валов через уплотнения выведены из гондолы с противоположных сторон, и на концах выходных валов закреплены гребные винты.
Выполнение в предлагаемой судовой движительной установке только одного корпуса и размещение приводного электродвигателя внутри этого корпуса, при этом фазы приводного электродвигателя соединены с источником питания, находящимся вне корпуса, через блок контактных колец, установленный на корпусе соосно с вертикальной осью вращения корпуса судовой движительной установки относительно корпуса судна и состоящий из контактных колец и щеток, скользящих по поверхности контактных колец, а также установка на входном валу, соединенным с валом приводного электродвигателя, двух конических зубчатых колес, которые входят в зацепление с коническими зубчатыми колесами, установленными на верхних концах двух вертикальных валов, образуя два надводных редуктора, и закрепление на нижнем конце каждого из двух вертикальных валов конических зубчатых колес, каждое из которых входит в зацепление с коническим зубчатым колесом, установленным на одном из двух выходных валов, образуя два подводных редуктора, концы двух выходных валов через уплотнения выведены из гондолы с противоположных сторон, и на концах выходных валов закреплены гребные винты, позволяет передавать выходную мощность приводного электродвигателя по двум аналогичным механическим трансмиссиям на два гребных винта. Такая конструкция движительной установки обеспечивает передачу от приводного электродвигателя на гребные винты примерно в два раза большую мощность, чем у прототипа. Кроме того повышается надежность судовой движительной установки, поскольку при поломке какого либо элемента одной трансмиссии и остановки одного из гребных винтов, по второй трансмиссии от приводного электродвигателя на второй гребной винт вращение будет передаваться и судно полностью ход не потеряет, как было бы у прототипа.
Следовательно, предлагаемая судовая движительная установка способна развивать на гребных винтах большую мощность и более надежна, чем прототип.
На фиг. 1 показана схема предлагаемой судовой движительной установки.
На фиг. 2 показана схема предлагаемой судовой движительной установки с более высокой надежностью.
В изображенной на фиг. 1 схеме предлагаемой судовой движительной установки корпус 1 состоит из четырех частей, объединенных в единую конструкцию: верхнего цилиндрического отсека 2, средней цилиндрической части 3, руля 4 и гондолы 5. Корпус 1 установлен на палубе 6 кормовой части корпуса 7 судна в подшипниках 8. Снизу на верхнем цилиндрическом отсеке 2 закреплено зубчатое колесо 9, в зацепление с которым входят зубчатые колеса 10, закрепленные на валах рулевых приводов 11, которых может быть несколько. Внутри верхнего цилиндрического отсека 2 корпуса 1 установлен приводной электродвигатель 12. Вал приводного электродвигателя 12 является входным валом 13 судовой движительной установки. Возможен также вариант, при котором вал приводного электродвигателя 12 соединен с входным валом 13 соединительной муфтой. Электрическое питание поступает на фазы приводного электродвигателя 12 по кабелю 14 через блок контактных колец 15 от источника питания, находящегося вне корпуса 1. Блок контактных колец 15, состоящий из контактных колец и щеток (на фиг. 1 не показаны) установлен соосно с вертикальной осью вращения корпуса 1 судовой движительной установки относительно корпуса 7 судна и позволяет обеспечить питанием приводной электродвигатель 12 при повороте корпуса 1 относительно корпуса 7 судна. На входном валу 13 закреплены два конических зубчатых колеса 16 и 17. Коническое зубчатое колесо 16 входит в зацепление с коническим зубчатым колесом 18, установленным на верхнем конце вертикального вала 19. Вертикальный вал 19 установлен в корпусе 1 в подшипниках и на нижнем конце вертикального вала 19 закреплено коническое зубчатое колесо 20, которое входит в зацепление с коническим зубчатым колесом 21, установленным на выходном валу 22, расположенным в гондоле 5 корпуса 1. Выходной вал 22 установлен в гондоле 5 в радиальных и упорном подшипниках. Конец выходного вала 22 через герметичное уплотнение выведен из гондолы 5 и на нем закреплен гребной винт 23. Коническое зубчатое колесо 17 входит в зацепление с коническим зубчатым колесом 24, установленным на верхнем конце второго вертикального вала 25. Второй вертикальный вал 25 также установлен в корпусе 1 в подшипниках и на нижнем конце второго вертикального вала 25 закреплено коническое зубчатое колесо 26, которое входит в зацепление с коническим зубчатым колесом 27, установленным на втором выходном валу 28, расположенным в гондоле 5. Выходной вал 28 установлен в гондоле 5 в радиальных и упорном подшипниках. Конец выходного вала 28 через герметичное уплотнение выведен из гондолы 5 с противоположной стороны по сравнению с выходным валом 22 и на нем закреплен гребной винт 29.
Между корпусом 7 судна и средней цилиндрической частью 3 корпуса 1 располагается уплотнение 30, которое препятствует проникновению воды при волнении в зазор между корпусом 1 и корпусом 7 судна. Все составляющие системы смазки - напорный бак 31 с маслом, маслопроводы, насосы, фильтры (на фиг. 1 не показаны) и т.д., элементов трения судовой движительной установки размещены внутри корпуса 1. Для охлаждения компонентов судовой движительной установки на верхнем цилиндрическом отсеке 2 соосно с вертикальной осью вращения корпуса 1 судовой движительной установки относительно корпуса 7 судна установлены входной воздуховод 32 и выходной воздуховод 33. Через входной воздуховод 32 в корпус 1 подается охлажденный воздух, а через выходной воздуховод 33 из корпуса 1 выводится нагревшийся от контакта с компонентами судовой движительной установки воздух.
Предлагаемая судовая движительная установка работает следующим образом. При подаче электропитания от преобразователя частоты через блок контактных колец 15 и кабель 14 на фазы обмотки статора приводного электродвигателя 12 приводной электродвигатель 12 начинает вращать входной вал 13 с закрепленными на нем коническими зубчатыми колесами 16 и 17. Через первый надводный редуктор, в который входит коническое зубчатое колесо 16 и коническое зубчатое колесо 18, вращение входного вала 13 передается на вертикальный вал 19. Затем вращение вертикального вала 19 через первый подводный редуктор, в которой входит коническое зубчатое колесо 20, закрепленное на вертикальном валу 19, и коническое зубчатое колесо 21, закрепленное на выходном валу 22, передается на выходной вал 22 с установленным на нем гребным винтом 23. Вращаясь в воде, гребной винт 23 будет создавать тяговое усилие, которое от корпуса 1 судовой движительной установки через подшипники 8 будет приложено к корпусу 7 судна.
Одновременно вращение от входного вала 13 через второй надводный редуктор, состоящий из конических зубчатых колес 17 и 24, будет предаваться на второй вертикальный вал 25. И затем от второго вертикального вала 25 через второй подводный редуктор, состоящий из конических зубчатых колес 26 и 27, вращение будет предаваться на второй выходной вал 28 с установленным на нем гребным винтом 29. Тяговое усилие гребного винта 29, так же, как и тяговое усилие гребного винта 23, будет приложено к корпусу 7 судна. Для согласования работы гребных винтов один из них - гребной винт 23 должен создавать толкающее усилие, второй гребной винт 29 должен создавать тянущее усилие.
При необходимости изменить направление тяговых усилий, созданных гребными винтами 23 и 29, относительно корпуса 7 судна запускаются рулевые приводы 11, которые вращают зубчатые колеса 10. Зубчатые колеса 10 находятся в зацеплении с зубчатым колесом 9, закрепленным на корпусе 1. В результате рулевые приводы 11 через редуктор, состоящий из зубчатых колес 10 и 9, поворачивают корпус 1 вместе с гребными винтами 23 и 29 относительно корпуса 7 судна, изменяя направление тяги гребных винтов.
Предлагаемая судовая движительная установка выполняет функции движителя, тяговое усилие которого регулируется за счет изменения частоты вращения приводного электродвигателя 12, и рулевого устройства, позволяющего изменять направление тяги гребных винтов 23 и 29 относительно корпуса 7 судна при повороте корпуса 1 судовой движительной установки рулевыми приводами 11.
В предлагаемой судовой движительной установке выходная мощность приводного электродвигателя 12 далее передается по двум механическим трансмиссиям к двум исполнительным органам - гребными винтами 23 и 29. В первую трансмиссию входят первый надводный редуктор, состоящий из конических зубчатых колес 16 и 18, вертикальный вал 19, подводный редуктор, состоящий из конических зубчатых колес 20 и 21, и выходной вал 22 с гребным винтом 23. Во вторую трансмиссию входят второй надводный редуктор, состоящий из конических зубчатых колес 17 и 24, вертикальный вал 25, подводный редуктор, состоящий из конических зубчатых колес 26 и 27, и выходной вал 28 с гребным винтом 29. По двум аналогичным трансмиссиям на гребные винты 23 и 29 можно передать от приводного электродвигателя 12 примерно в два раза большую мощность, чем по одной трансмиссии в прототипе и значительно увеличить мощность судовой движительной установки.
Предлагаемая судовая движительная установка более надежна, чем прототип, так как в случае выхода из строя одной из трансмиссий, передающей вращение от приводного электродвигателя 12 на гребной винт 23 (или 29), из-за поломки в ней какого либо компонента, один из гребных винтов 23 (или 29) остановится, но вторая трансмиссия сохранит работоспособность, второй гребной винт 29 (или 23) будет вращаться, и судно не потеряет ход и управляемость.
Таким образом, предлагаемая судовая движительная установка способна развивать на гребных винтах большую мощность и обладает более высокой надежностью, чем прототип.
Надежность предлагаемой судовой движительной установки можно повысить. Для этого внутри корпуса судовой движительной установки нужно разместить два приводных электродвигателя, в блоке контактных колец в два раза увеличить число контактных колец и щеток, через которые подается электропитание на фазы двух приводных электродвигателей, и на валу каждого из двух приводных электродвигателей закрепить по одному коническому зубчатому колесу, которое входит в зацепление с коническим зубчатым колесом одного из двух вертикальных валов.
Размещение внутри корпуса предлагаемой судовой движительной установки двух приводных электродвигателей, с закрепленным на валу каждого из них коническим зубчатым колесом, которое входит в зацепление с коническим зубчатым колесом одного из двух вертикальных валов позволяет обеспечить резервирование всех компонентов судовой движительной установки: скользящих контактов между контактными кольцами и щетками в блоке контактных колец, кабелей питания, приводных электродвигателей, всех элементов механических трансмиссий от вала приводных электродвигателей до выходных валов и гребных винтов. Следовательно, надежность предлагаемой судовой движительной установки будет выше.
На фиг. 2 показана схема предлагаемой судовой движительной установки с более высокой надежностью. Внутри корпуса 1 размещены два приводных электродвигателя 12а и 12b. Электропитание на приводные электродвигатели 12а и 12b подается, соответственно, по кабелям 14а и 14b через блок контактных колец 15 от преобразователей частоты, которые на фиг. 2 не показаны. Целесообразно, чтобы для каждого приводного электродвигателя 12а и 12b электропитание подавалось от отдельного преобразователя частоты, поскольку надежность судовой движительной установки будет выше, вследствие резервирования преобразователей частоты. В этом случае в блоке контактных колец 15 в судовой движительной установки, изображенной на фиг. 2, число контактных колец и щеток необходимо в два раза больше, чем в блоке контактных колец 15 в судовой движительной установки, изображенной на фиг. 1. На валу 13а приводного электродвигателя 12а закреплено коническое зубчатое колесо 16, которое входит в зацепление с коническим зубчатым колесом 18, установленным на первом вертикальном валу 19. На валу 13b приводного электродвигателя 12b закреплено коническое зубчатое колесо 17, которое входит в зацепление с коническим зубчатым колесом 24, установленным на втором вертикальном валу 25. В остальном конструкция судовой движительной установки, изображенной на фиг. 2, аналогична конструкции судовой движительной установки, изображенной на фиг. 1.
Судовая движительная установка, изображенная на фиг. 2, работает следующим образом. При подаче электропитания от преобразователей частоты на приводные электродвигатели 12а и 12b через блок контактных колец 15 и кабели 14а и 14b приводные электродвигатели 12а и 12b запускаются и их выходные валы, соответственно, 13а и 13b начинают вращаться. Вместе с валом 13а приводного электродвигателя 12а будет вращаться коническое зубчатое колесо 16, закрепленное на валу 13а. Вращение вала 13а и конического зубчатого колеса 16 передается на коническое зубчатое колесо 18 и вертикальный вал 19. И далее вращение от вертикального вала 19 через пару конических зубчатых колес 20 и 21, составляющих подводный редуктор, передается на выходной вал 22 и гребной винт 23.
Одновременно вращение вала 13b приводного электродвигателя 12b через второй надводный редуктор, в который входят конические зубчатые колеса 17 и 24, передается на второй вертикальный вал 25, от вертикального вала 25 через второй подводный редуктор, состоящий из конических зубчатых колес 26 и 27, вращение передается на второй выходной вал 28 и второй гребной винт 29. В остальном работа судовой движительной установки, изображенной на фиг. 2, аналогична работе судовой движительной установки, изображенной на фиг. 1, описание работы которой приведено выше.
В отличие от судовой движительной установки, изображенной на фиг. 1, в судовой движительной установки, изображенной на фиг. 2, резервируются не только компоненты механических трансмиссий, но также контактные кольца и щетки блока контактных колец 15, кабели питания 14а и 14b и приводные электродвигатели 12а и 12b. Кроме того, судовая движительная установка, изображенная на фиг. 2, дает возможность подавать электропитание на приводные электродвигатели 12а и 12b от двух независимых преобразователей частоты (на фиг. 2 не показаны), обеспечивая полное резервирование всех компонентов судовой движительной установки, обеспечивающих вращение гребных винтов 23 и 29. Вследствие этого судовая движительная установка, изображенная на фиг. 2, имеет более высокую надежность, чем судовая движительная установка, изображенная на фиг. 1.