Винторулевая колонка
PROPELLER AND THRUST UNIT

Изобретение относится к области судостроения и касается вопроса создания движительных, винторулевых и подруливающих комплексов, предназначенных для длительной эксплуатации в условиях ледовой нагрузки.
Ледовые нагрузки на элементы винторулевой колонки являются определяющими для обеспечения надёжности эксплуатации пропульсивной системы и системы поворота судов.
Известна винторулевая колонка RU 2681411, которая содержит вертикальную стойку трубчатой конструкции и жёстко связанную с ней гондолу, имеющие возможность поворота вокруг вертикальной оси. Вертикальная стойка проходит вверх в корпус судна через отверстие в днище. Внутри стойки установлена труба, жестко связанная с корпусом, на которую с помощью верхнего и нижнего подшипников посажена вертикальная стойка. Установка вертикальной стойки снаружи корпусной трубы позволяет уменьшить диаметр подшипников и использовать стандартные подшипники. Труба выполнена до нижнего редуктора в гондоле.  Внутри трубы проходят элементы привода гребного винта. Сам привод гребного винта расположен в гондоле. Привод гребного винта может быть механическим, гидравлическим или электрическим.
Однако в случае длительного дрейфа судна в тяжёлых ледовых условиях на подшипники вертикальной стойки будут действовать значительные радиальные усилия от статического давления при сжатии льдов, поэтому эта конструкция не обладает необходимой прочностью для судов ледового класса, предназначенных к длительному дрейфу.
Известны судовые поворотные винторулевые колонки, выпускаемые фирмами: ABB Grou, Schottel, Rolls Royce, Wartsila, Steerprop и т. д. для судов ледового класса.
Традиционная поворотная винторулевая колонка, которую рассматриваем как прототип (См. Вестник Государственного университета морского и речного флота им. Макарова выпуск 4 (38) 2016 рис. 7, 10), содержит жёстко связанные между собой вертикальную стойку и гондолу, с размещёнными внутри них элементами приводного механизма гребного винта, и гребной винт в направляющей насадке (См. Вестник Государственного университета морского и речного флота им. Макарова выпуск 4 (38) 2016 рис. 7). Вертикальная стойка с гондолой снабжена механизмом поворота и имеет возможность поворота вокруг вертикальной оси. Для этого верхний конец вертикальной стойки размещён внутри трубчатой опорной конструкции, жестко связанной с корпусом (трубчатая опорная конструкция на схеме рис.7 не показана) с возможностью поворота. Возможность поворота обеспечивает посадка вертикальной стойки внутри трубчатой опорной конструкции с помощью верхнего и нижнего подшипников (поз. 9 на рис. 7). Трубчатая опорная конструкция перекрывает только часть вертикальной стойки (не более её половины), и нижний подшипник расположен значительно выше гондолы. Т.е. колонка имеет достаточно большое плечо  между осью гондолы и нижним подшипником.
Для судов ледового класса плавания используют винторулевые колонки повышенной мощности и увеличенных размеров, что ведёт к необходимости использования нестандартных деталей, в частности подшипников. В условиях длительного ледового дрейфа и плавания значительные статические и динамические усилия на вертикальную стойку с гондолой резко увеличивают консольные нагрузки на нижний подшипник.
Таким образом, задачей изобретения является создание винторулевой колонки способной работать в условиях длительного дрейфа и плавания при наличии высоких ледовых нагрузок, без значительного увеличения её габаритов.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в уменьшении консольной нагрузки на нижние подшипники, а, следовательно, и повышение их нагрузочной способности  без увеличения их размеров.
Указанный технический результат достигается тем, что винторулевая колонка, как и прототип содержит жёстко связанные между собой вертикальную стойку и гондолу. Вертикальная стойка посажена внутри трубчатой опорной конструкции, с возможностью поворота с помощью верхнего и нижнего подшипников. Трубчатая опорная конструкция жестко связана с корпусом. В отличие от прототипа трубчатая опорная конструкция выполнена удлиненной вплоть до гондолы, так, что полностью закрывает вертикальную стойку, и нижний подшипник расположен на нижнем конце вертикальной стойки.
Для увеличения прочности трубчатой опорной конструкции её целесообразно выполнить в виде расширяющегося к верху конуса.
Для снижения гидродинамического сопротивления и в целях повышения ходовых качеств на винторулевой колонке закреплены обтекатели. Обтекатели могут располагаться только на гондоле, только на опорной конструкции и одновременно отдельно на гондоле и на опорной конструкции.
Для иллюстрации изобретения рассмотрим конструкцию винторулевой колонки с механическим приводом гребного винта, однако по изобретению может быть выполнена колонка с любым типом привода гребного винта.
На фиг.1 представлена принципиальная схема заявляемой винторулевой колонки с трубчатой опорной конструкцией цилиндрической формы.
На фиг.2 представлена принципиальная схема заявляемой винторулевой колонки с трубчатой опорной конструкцией в виде расширяющегося кверху конуса.
На фиг.3 представлен общий вид заявляемой винторулевой колонки, выполненной по схеме фиг. 2 с направляющей гребного винта и обтекателями.
Винторулевая колонка содержит вертикальную стойку 1 и гондолу 2, которые жёстко связаны между собой. Вертикальная стойка 1 проходит вверх в корпус судна 3 сквозь отверстие в днище. С помощью верхнего 4 и нижнего 5 подшипников она посажена внутри трубчатой опорной конструкции 6. Трубчатая опорная конструкция 6 жёстко связана с корпусом судна 3 и выполнена длиной до гондолы 2. Нижний подшипник 5 расположен на нижнем конце вертикальной стойки 1. При этом вся вертикальная стойка 1 оказывается закрытой трубчатой опорной конструкцией 6. Плечо действия силы от оси гондолы до нижнего подшипника 5 уменьшено, поэтому нижний подшипник 5 испытывает меньшие консольные нагрузки. Вследствие этого можно уменьшить размеры подшипника 5, и использовать подшипники стандартного размера, что снижает себестоимость и подшипников, и винторулевой колонки в целом. Кроме того, поскольку вертикальная стойка полностью закрыта трубчатой опорной конструкцией 6, то она предохраняется от прямого воздействия на неё динамических и статических нагрузок от движения и сжатия льда. Механический привод гребного винта на фиг. 1 представляет собой верхний конический редуктор 7, вертикальный вал 8, проходящий внутри вертикальной стойки 1, и нижний конический редуктор 9, расположенный в гондоле 2 и приводящий в движение гребной вал 10 и винт 11. Верхний конический редуктор приводится в действие двигателем 12, вал которого расположен вдоль оси судна. Механизм поворота вертикальной стойки с гондолой представляет собой цилиндрический редуктор 13, приводимый в действие двигателем поворота 14.
Винторулевая колонка на фиг.2 отличается от винторулевой колонки на фиг.1 тем, что трубчатая опорная конструкции 6 выполнена в виде расширяющегося к верху конуса. Как у любой консольно-закреплённой конструкции, к которой приложена нагрузка (в данном случае, в самом низу), изгибающий момент увеличивается к основанию и достигает своего максимального значения. Благодаря такому выполнению трубчатой опорной конструкции момент сопротивления изгибу также увеличивается к основанию. Образующая конической поверхности представляет собой линию переменной кривизны. Это увеличивает равномерность распределения нагрузки на трубчатую опорную конструкцию, так, как это происходит у башни Шухова (секции башни – это однополостные гиперболоиды вращения). На фиг. 2 механический привод гребного винта 11 представлен в варианте, когда ось двигателя 15 параллельна вертикальной стойке 1 и верхний редуктор представляет собой цилиндрический редуктор 16. Большее колесо 17 редуктора 16 связано с валом 8, и приводится в движение шестерней 18 посаженной на выходной вал двигателя 15.
В этом случае можно вместо одного двигателя 15 расположить несколько двигателей 15 меньшей мощности, которые будут своими шестернями 18 связаны с одним колесом 17 верхнего редуктора 16, который в этом случае будет многопоточным. Это даст уменьшение по габаритам и по себестоимости привода гребного винта. Немаловажным фактором является повышение надёжности, когда при выходе из строя одного двигателя, привод остается в рабочем состоянии.
На фиг. 3 винторулевая колонка, выполненная по схеме 2, для улучшения ходовых качеств дополнена направляющей насадкой 19 и обтекателями 20, 21, 22, 23. Обтекатели 20 и 21 расположены на трубчатой опорной конструкции 6, они направляют потоки, возникающие при движении судна. В принципе обтекаемой может быть выполнена наружная форма трубчатой опорной конструкции 6. Обтекатели 22 и 23, расположены на гондоле 2 и вращаются вместе с ней. Направляющая насадка 19 окружает гребной винт 11 и закреплена на гондоле 2 посредством опор 24 и обтекателя 22. Механизм поворота здесь выполнен в виде многопоточного редуктора, приводимого в движение несколькими двигателями 14.
Работа заявленной винторулевой колонки, представленной на фиг. 1, аналогична работе прототипа. Вращение от размещённого в корпусе судна 3 двигателя 12 передаётся через верхний конический редуктор 7 на вертикальный вал 8. Вращение вертикального вала 8 через нижний конический редуктор 9 передаётся гребному валу 10 и винту 11.
Механизм поворота работает следующим образом. Вращение от двигателя 14 механизма поворота через цилиндрический редуктор 13 передаётся вертикальной стойке 1 и гондоле 2.
В колонке на фиг. 2 вращение от двигателей 15 передаётся через шестерни 18 на большое колесо 17 верхнего редуктора 16. Через колесо 17 вращение передаётся на вал 8 и через конический редуктор 9 на гребной вал 10 и винт 11. Механизм поворота здесь работает точно так же, как и на фиг. 1.