СУДОВОЙ ДВИЖИТЕЛЬ
VESSEL PROPULSOR

Изобретение относится к области судостроения в части судовых движителей с уменьшенными уровнями вибрации и излучаемого шума, например гребных винтов (ГВ) со средствами вибродемпфирования. Изобретение может быть использовано для создания малошумного движителя, например, включающего ГВ составной конструкции, имеющий лопасти, закрепленные на ступице, а также прокладки из вибродемпфирующего материала (ВДМ) между лопастью и ступицей.
В результате многочисленных экспериментов и расчетов установлено, что лопасти движителя, например ГВ, колеблющиеся на собственных частотах под действием нагрузок со стороны натекающего потока, являются основным источником звукового давления в окружающей винт водной среде в широком диапазоне средних частот и скоростей вращения. Звукоизлучение винта снижается при снижении интенсивности резонансных колебаний лопастей, что достигается демпфированием лопастей, состоящем в интенсивном преобразовании энергии колебаний в тепловую энергию.
Известны ГВ, лопасти которых изготовлены из специальных демпфирующих сплавов или неметаллических материалов с более высоким, чем у металлов, коэффициентом механических потерь. Однако для сплавов характерна существенная зависимость коэффициента потерь при колебаниях от напряжений/деформаций. Коэффициент потерь имеет высокие значения только при значительных напряжениях/деформациях. При малых уровнях вибрации (малых напряжениях/деформациях), которые имеют место на практике, коэффициент потерь демпфирующих сплавов ненамного превышает коэффициент потерь металлов, из которых обычно изготавливаются ГВ. Сплавы имеют и другие недостатки, препятствующие их широкому распространению. Например, медно-марганцевые сплавы утрачивают полезные демпфирующие свойства со временем. ГВ из неметаллических материалов также имеют пока существенные недостатки, особенно в части прочности и ударостойкости.
Известна конструкция ГВ с ВДМ, нанесенным в канавки на наружной поверхности лопасти (патент РФ 2387572, 2010 г.). Однако такое техническое решение, предусматривающее размещение ВДМ в вырезах в профилированной части лопастей, и особенно в районе их кромок, неизбежно снижает прочность лопастей и эксплуатационную надежность ГВ.
Наиболее близким к заявляемому является техническое решение (патент РФ 2149798, 2000 г.), при котором с целью уменьшения уровней вибрации и излучаемого ГВ шума заподлицо с обтекаемой поверхностью лопасти вдоль ее выходящей кромки размещены вставки, прикрепленные механически к лопасти. Между контактными поверхностями каждой из вставок и лопасти помещена пленочная прокладка из ВДМ. Пленочная прокладка из ВДМ размещается также в кольцевой выемке с фланцами между комлем лопасти и ступицей ГВ составной конструкции. Недостатком вставок, расположенных вдоль кромки лопасти, является снижение прочности и эксплуатационной надежности лопасти. Обтекаемая профилированная часть лопасти и комель виде фланца большого размера и массы для обеспечения надежного закрепления лопасти на ступице представляют собой конструкцию, аналогичную Т-образному соединению пластин, которое обладает значительным виброизолирующим эффектом, препятствующим распространению колебательной энергии из обтекаемой, излучающей звук части лопасти в комель; в результате амплитуда колебаний комля мала. Поэтому поглощается лишь незначительное количество колебательной энергии лопасти, эффективность применения ВДМ между комлем лопасти и ступицей мала, и снижение уровней вибрации лопастей и излучаемого шума при работе движителя оказывается незначительным.
Задача изобретения заключается в снижении уровней вибрации лопастей и излучаемого шума при работе движителя при условии сохранения прочности и эксплуатационной надежности наружной части лопасти и ГВ в целом.
Поставленная задача решается следующим образом. Судовой движитель содержит ступицу, лопасти и прокладку из вибродемпфирующего материала между ними. Лопасти имеют комель на продолжении наружной профилированной части лопасти, расположенный за пределами натекающего потока и используемый для крепления, например болтами, лопасти к ступице длиной не менее 1/3 полной длины лопасти и толщиной не более максимальной толщины наружной части лопасти, и узел крепления лопасти к ступице содержит ограничители перемещения лопасти, например шайбы, размер которых равен толщине прокладки из ВДМ, размещенной между ступицей и комлем.
Ступица может состоять из двух частей, одна из которых выполняет функцию прижима для комлей лопастей.
Каждая лопасть может быть прикреплена комлем к ступице отдельным прижимом.
Поверхности комля лопасти, ступицы и прижима, соприкасающиеся с ВДМ, могут иметь проточки для повышения эффективности ВДМ за счет дополнительных деформаций.
Комель лопасти может быть помещен во вкладыш, заполненный ВДМ, а вкладыш с лопастью может быть закреплен на ступице, например, болтами.
Лопасть может удерживаться во вкладыше только адгезией к ВДМ, размещенному между комлем лопасти и стенками вкладыша, и на ступице может быть закреплен, например, болтами только вкладыш.
Перемещения комля лопасти и деформации прокладки из ВДМ могут быть ограничены конструктивно при больших статических нагрузках, например, выступами и соответствующими им выемками на комле лопасти или вкладыше.
Стенки вкладыша могут иметь щели, отверстия или проточки для повышения эффективности ВДМ, размещенного во вкладыше, за счет дополнительных деформаций.
В комле лопасти может быть установлено не менее одного настроенного демпфера для повышенного вибропоглощения на собственных частотах колебаний наружной части лопасти, например, комель может быть разделен на сегменты, собственные частоты которых совпадают с собственными частотами колебаний наружной части лопасти.
Лопасть может быть составлена из двух частей: наружной металлической или композитной и комля из материала с повышенным коэффициентом потерь.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение звукоизлучения движителя на частотах собственных (резонансных) колебаний его лопастей. Изобретение может быть использовано также для снижения вибрации и шума, возникающих при работе других типов лопастных механизмов как с вращающимися, так и с неподвижными лопастями, обтекаемыми потоком, например, рабочих колес турбин, осевых насосов, направляющих аппаратов и рабочих колес водометных движителей и т.д.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан ГВ, содержащий ступицу 1 и лопасти 2 с комлями 2а на продолжении наружной части лопасти, которые крепятся к ступице хотя бы одним болтом 3а с гайкой 3б или без гайки через отверстия в комлях лопастей. Прокладка из ВДМ 4 располагается в зазоре между ступицей и комлем. Ширина зазора, равного толщине прокладки из ВДМ, при котором эффективность ВДМ максимальна, обеспечивается хотя бы одним ограничителем перемещения лопасти 5, например шайбой.
На фиг. 2 в меньшем масштабе показано поперечное сечение ГВ с двумя лопастями из нескольких.
На фиг. 3 показано крепление лопасти к ступице с помощью прижима 6, что дает возможность применить прокладку из ВДМ на большей площади и увеличить потери энергии при колебаниях лопасти. Прижим может быть прикреплен непосредственно к ступице дополнительными болтами 7.
На фиг. 4 показано крепление лопасти во вкладыше (в «стакане») 8. Лопасть, вкладыш и прокладка из ВДМ между лопастью и внутренними стенками вкладыша представляют собой единую конструкцию, готовую к установке на ступицу, что упрощает технологию сборки ГВ.
На фиг. 5 показана лопасть во вкладыше 8, удерживаемая в нем только адгезией к ВДМ, размещенному между лопастью и стенками вкладыша. Выступы 9 и соответствующие им выемки на фиг.6 ограничивают перемещения комля лопасти и деформации прокладки из ВДМ при больших статических нагрузках в пределах значений, при которых ВДМ эффективно поглощает колебательную энергию. Таким образом, при небольших статических нагрузках на лопасть упор ГВ передается на ступицу через прокладку из ВДМ. При этом колебания лопасти максимально свободны от ограничений и созданы наиболее благоприятные условия для распространения колебательной энергии из наружной части лопасти в комель, где энергия интенсивно поглощается. При больших статических нагрузках упор ГВ передается через выступы 9. На фиг. 7 в меньшем масштабе показано крепление лопасти во вкладыше к ступице только через вкладыш болтами 10.
На фиг. 8 условно показан демпфер 11 в комле лопасти, эффективно демпфирующий колебания на отдельных частотах, например на частотах собственных колебаний наружной части лопасти. На фиг. 9 комель разделен на сегменты 12, имеющие разную толщину и соответственно разные частоты собственных колебаний, на которых сегменты эффективно демпфируют колебания, например, на частотах собственных колебаний наружной части лопасти. На фиг. 10 комель разделен с той же целью на сегменты 12, имеющие разную длину.
Показанные на фиг. 1-10 основные варианты предлагаемого устройства являются примерами выполнения его конструкции и не охватывают все возможные варианты.
Работа судового движителя (гребного винта, рабочего колеса водомета или др.) предлагаемой конструкции, как и любого лопастного механизма, сопровождается воздействием на каждую лопасть гидродинамических усилий, возбуждающих в ней интенсивные колебания. Снижение колебаний лопасти достигается в том числе поглощением энергии колебаний. При использовании заявляемого технического решения повышенное поглощение энергии при колебаниях лопасти достигается за счет трех факторов:
1. За счет более интенсивных колебаний удлиненного комля длиной не менее 1/3 полной длины лопасти, на продолжении наружной профилированной части лопасти, по сравнению с колебаниями комля в виде фланца в существующих конструкциях составных ГВ.
2. За счет применения к удлиненному комлю большого объема средств вибродемпфирования в виде прокладок из ВДМ и настроенных демпферов, которые могут быть размещены в ГВ предлагаемой конструкции.
3. За счет ограничения статических перемещений лопасти в месте ее крепления к ступице и деформаций прокладки из ВДМ значениями, при которых ВДМ наиболее эффективно поглощает колебательную энергию.
Средства вибродемпфирования применяются к комлю лопасти без ущерба для прочности и эксплуатационной надежности наружной части лопасти и ГВ в целом.
Выбор соотношений между размерами комля и наружной профилированной части лопасти произведен авторами исходя из известных физических закономерностей распространения колебаний и вибродемпфирования колеблющихся тел. Расчетные оценки на конечно-элементных моделях показали, что при одинаковом количестве ВДМ коэффициент потерь лопастей ГВ заявленной конструкции примерно вдвое выше коэффициента потерь лопастей ГВ с комлем в виде фланца, а звукоизлучение на резонансных частотах лопастей ниже. Повышенное поглощение на частотах собственных колебаний наружной части лопасти достигается за счет размещения в комле настроенных на эти частоты демпферов, например, за счет разделения комля на сегменты, имеющие частоты собственных колебаний, равные частотам собственных колебаний наружной части лопасти. Состав средств вибродемпфирования, их геометрические характеристики и материалы выбираются в каждом конкретном случае исходя из назначения, условий работы и геометрии движителя.