Гребной винт с многорезонансным демпфирующим устройством для снижения колебаний и резонансного звукоизлучения гребного винта
SCREW PROPELLER WITH MULTI-RESONANT DAMPING DEVICE FOR REDUCING OSCILLATIONS AND RESONANT SOUND EMISSION OF SCREW PROPELLER

Изобретение относится к области судостроения в части гребных винтов (ГВ) с уменьшенными уровнями излучаемого шума. Изобретение может быть использовано для создания малошумного ГВ, включающего многорезонансные демпфирующие устройства (МДУ) для снижения колебаний и резонансного звукоизлучения ГВ, а также других инженерных конструкций, если требуется снижение колебаний и резонансного звукоизлучения на нескольких резонансных частотах.
Гребные винты являются одним из основных источников вибрации и шума в помещениях судна и окружающей водной среде. Одна из составляющих шума гребных винтов связана со звукоизлучением при колебаниях на резонансных частотах под действием динамических нагрузок со стороны натекающего потока. Звукоизлучение гребных винтов может быть снижено путем снижения амплитуды резонансных колебаний, что достигается вибродемпфированием (демпфированием, вибропоглощением) гребных винтов, направленным на преобразование энергии колебаний в тепло.
Известны гребные винты, изготовленные полностью или частично из специальных демпфирующих сплавов или неметаллических материалов с более высокими, чем у металлов, коэффициентами потерь. Однако коэффициенты потерь конструкции из таких специальных сплавов имеют высокие значения только при значительных уровнях вибрации (значительных деформациях и напряжениях) конструкции. При относительно малых уровнях вибрации гребных винтов, которые обычно имеют место на практике, преимущество демпфирующих сплавов над металлами, из которых обычно изготавливаются гребные винты, несущественно. Гребные винты из неметаллических материалов имеют существенные недостатки, например, в части ударостойкости, поэтому их применение ограничено.
Известно техническое решение «Судовой движитель» (патент на изобретение РФ №2149798, опубл. 27.05.2000, Бюл. №15), содержащий ступицу с установленными на ней комлями лопастей, к лопастям которого заподлицо с обтекаемой поверхностью механически прикреплены вставки, причем между контактными поверхностями каждой из вставок и лопасти помещена пленочная прокладка из вибродемпфирующего материала. Вставки могут быть выполнены в виде части профилированного тела лопасти с ее выходящей кромкой и закреплены в продольной щели, образованной в каждой лопасти. Между поверхностями контакта соседних комлей и комлей со ступицей может быть размещена пленочная прокладка.
Известно техническое решение «Гребной винт» (патент на изобретение РФ №2387572, опубл. 27.04.2010, Бюл. №12) на поверхностях лопастей которого выполнены канавки, заполненные вибродемпфирующим материалом.
Известно техническое решение «Судовой движитель» (Патент на изобретение РФ №2640910, опубл. 12.01.2018, Бюл. №2), у которого комли лопастей на продолжении ее наружной профилированной части удлинены, в том числе, с целью увеличения площади контакта лопастей и ступицы для размещения средств вибродемпфирования на большей площади, чем прокладка по патенту на изобретение РФ №2149798, и, соответственно, обладающих большей эффективностью.
Перечисленные технические решения направлены на демпфирование колебаний ГВ в широком диапазоне частот.
Основным недостатком вышеперечисленных технических решений является недостаточная эффективность на резонансных частотах ГВ, где имеет место повышенное звукоизлучение.
Повышенной эффективностью, но в сравнительно узком диапазоне частот, обладают резонансные демпфирующие устройства (РДУ).
Известно техническое решение «Ship propeller dampers» (UK Patent Application GB 2305220 А, опубл. 02.04.1997 г.), по которому РДУ включает корпус и массу в форме цилиндра, связанную с корпусом слоем вязкоупругого материала, который выполняет функцию упругого элемента с потерями.
Недостатком данного технического решения является невозможность снижения звукоизлучения ГВ одновременно на нескольких резонансных частотах. Другим недостатком данного технического решения является невозможность изменения в некоторых пределах резонансной частоты РДУ при подстройке РДУ в ходе монтажа и наладки для достижения совпадения с резонансной частотой ГВ. Такое свойство является полезным, поскольку, в силу ряда неопределенных факторов, в ходе проектирования невозможно выполнить достаточно точный расчет резонансных частот, особенно высокопорядковых мод ГВ в воде, и РДУ.
Известно техническое решение «Малошумный гребной винт» (Патент на изобретение РФ №2710142, дата регистрации 24.12.2019), по которому ступица удлинена в корму от конца гребного вала, лопасти закрепляются на наружной поверхности участка ступицы, образованного в результате удлинения, а на внутренней поверхности этого участка, в полости ступицы, размещается комплект РДУ, состоящих, в том числе, из разделенных свободными зазорами слоистых пластин, включающих слои металла и вибродемпфирующего материала между ними. Поскольку слоистые пластины РДУ имеют разную резонансную частоту, то такое РДУ является многорезонансным демпфирующим устройством (МДУ).
Недостатками данного решения являются, во-первых, невозможность применения к существующим и перспективным ГВ традиционной конструкции (необходимо проектирование ГВ специальной конструкции), во-вторых, сравнительно невысокая эффективность на резонансных частотах высокопорядковых мод колебаний ГВ, на которых колеблется в основном наружная, профилированная часть лопасти, а вибрации ступицы малы. Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
Задачей изобретения является снижение колебаний и звукоизлучения ГВ традиционной конструкции на нескольких резонансных частотах высокопорядковых мод его колебаний и обеспечение конструктивной возможности изменения резонансных частот МДУ в ходе монтажа и наладки.
Задача решается за счет того, что МДУ для снижения колебаний и резонансного звукоизлучения гребного винта, состоящее из разделенных свободными зазорами слоистых пластин, низшая резонансная частота каждой из которых совпадает с одной из резонансных частот гребного винта, включающих слои металла и вибродемпфирующего материала между ними, установленных соосно на одной стержневой опоре, имеет следующие отличия: МДУ для снижения колебаний и резонансного звукоизлучения гребного винта установлено в цилиндрической полости в лопасти гребного винта, при этом стержневая опора закреплена в цилиндрической полости между лопастью и крышкой цилиндрической полости, слоистые пластины имеют одинаковый диаметр, но разную толщину.
А также крышка цилиндрической полости установлена заподлицо с поверхностью лопасти с помощью резьбовых соединений.
А также слоистые пластины имеют отверстия для размещения на стержневой опоре, между отдельными слоистыми пластинами установлены промежуточные шайбы.
МДУ состоит из не менее чем двух слоистых пластин.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан фрагмент лопасти гребного винта с МДУ из двух слоистых пластин (1), размещенных в цилиндрической полости (2) в лопасти (3) гребного винта. Слоистая структура пластин на фиг. 1 не показана. Стержневая опора (4) соединена с лопастью резьбовым соединением (5). Цилиндрическая полость с МДУ закрыта крышкой (6), наружная поверхность которой лежит в плоскости поверхности лопасти (заподлицо с поверхностью лопасти). Крышка и слоистые пластины закреплены на стержневой опоре одним болтом (7). Зазоры (8) между слоистыми пластинами, лопастью и крышкой обеспечены промежуточными шайбами (9).
На фиг. 2 показан пример принципиальной схемы МДУ из двух слоистых пластин (1) разной толщины, установленных соосно на одной стержневой опоре (4) (поперечное сечение и аксонометрия). Каждая пластина состоит из трех слоев металла (10) и двух слоев вибропоглощающего материала (11). Между слоистыми пластинами имеются зазоры (8).
МДУ устанавливается не в ступице, а в лопасти - в области наибольших амплитуд колебаний ГВ. ГВ колеблется и излучает звук под действием широкополосных динамических сил со стороны натекающего потока. Амплитуды колебаний и звукоизлучение максимальны на резонансных частотах ГВ. МДУ, установленное в лопасти ГВ, колеблется вместе с ГВ. МДУ состоит из слоистых пластин одинакового диаметра, максимально плотно заполняющих цилиндрическую полость в лопасти, имеющих поэтому максимальную для данного объема массу, и, значит, имеет наибольшую эффективность при одинаковых прочих условиях. Слоистые пластины МДУ имеют высокий собственный коэффициент потерь, и часть их колебательной энергии преобразуется в тепло. Если резонансная частота слоистой пластины МДУ совпадает с резонансной частотой ГВ, то резко возрастает интенсивность колебаний слоистой пластины на этой частоте и преобразование энергии колебаний в тепло. Это приводит к значительному снижению амплитуды резонансных колебаний и звукоизлучения ГВ на данной резонансной частоте. Если резонансная частота каждой слоистой пластины МДУ совпадает с одной из резонансных частот ГВ, то снижение амплитуды резонансных колебаний и звукоизлучения ГВ достигается на нескольких резонансных частотах, число которых равно числу пластин. МДУ может быть точно настроено на резонансные частоты ГВ для достижения максимальной эффективности, поскольку оно может быть разобрано и заново собрано с заменой слоистых пластин на слоистые пластины другой толщины с другими резонансными частотами.
3
11
2
Возможность осуществления изобретения подтверждена численным моделированием с применением метода конечных элементов. Расчеты выполнены для упрощенной численной модели лопасти ГВ при отсутствии и наличии МДУ. В качестве упрощенной модели лопасти ГВ использована демпфируемая пластина с размерами 1×2 м, толщиной 22 мм из стали (плотность 7850 кг/м, модуль упругости 2⋅10 Н/м, коэффициент Пуассона 0.3, коэффициент потерь 0.0001). Колебания в демпфируемой пластине возбуждаются силой в середине одной из коротких кромок. Противоположная кромка жестко заделана. МДУ установлено в цилиндрической полости в демпфируемой пластине на расстоянии 150 мм от точки приложения силы. МДУ состоит из двух слоистых пластин диаметром 100 мм разной толщины, установленных соосно на одной стержневой опоре, материал - сталь. Низшая резонансная частота каждой слоистой пластины совпадает с одной из резонансных частот демпфируемой пластины. «Настройка» по частоте выполнена путем подбора толщины слоистых пластин. Поскольку МДУ предназначено для снижения высокопорядковых мод колебаний ГВ, толщины слоистых пластин 0.934 и 0.774 мм подобраны для снижения резонансных колебаний 9-й и 10-й мод демпфируемой пластины на частотах 328 и 392 Гц соответственно.
На фиг. 3 представлена амплитуда колебаний демпфируемой пластины (средний квадрат смещения пластины в направлении нормали в 10-ти произвольно выбранных точках) без МДУ и с МДУ. Установка МДУ обеспечивает снижение вибрации пластины на величину более 40 дБ на двух резонансных частотах, подтверждая высокую эффективность МДУ. При этом масса МДУ составляет около 0.0003 от массы демпфируемой пластины, а коэффициент потерь слоистых пластин - около 0.01, что достижимо при их слоистой конструкции.
Таким образом, снижение колебаний и звукоизлучения заявляемого ГВ на нескольких резонансных частотах высокопорядковых мод его колебаний достигается за счет размещения МДУ в лопасти ГВ (в области наибольших амплитуд колебаний высокопорядковых мод ГВ), тем самым обеспечивая возможность применения к существующим и перспективным ГВ традиционной конструкции конструкции МДУ, состоящей из нескольких слоистых пластин (по числу резонансных частот), возможности «настройки» резонансных частот МДУ путем замены слоистых пластин на другие с другой резонансной частотой, что выгодно отличает его от прототипа.