РЕВЕРСИВНО-РУЛЕВОЕ УСТРОЙСТВО ВОДОМЕТНОГО ДВИЖИТЕЛЯ
WATER-JET PROPELLER REVERSE CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области судостроения, в частности к реверсивно-рулевым устройствам (РРУ) судов с водометными движителями.
Известны реверсивно-рулевые устройства для судов с водометными движителями, предназначенные для обеспечения судну заднего хода, управляемости на заднем ходу и без хода при работающем водометном движителе, например, изобретения по авторскому свидетельству №157611 от 25.06.1962 г., и по патентам RU 2169102 С2 от 24.02.1998 г., RU 2436706 С2 от 28.05.2009 г. и RU 2459741 С1 от 14.01.2011 г. Однако в представленных реверсивно-рулевых устройствах имеются отдельные недостатки.
В патентах RU 2169102 С2 и RU 2436706 С2 недостатками являются сложность конструкции и отсутствие мнемоники при управлении судном по курсу на заднем ходу.
Сложность конструкции в этих реверсивно-рулевых устройствах обусловлена применением поворотного сопла в качестве органа управления по курсу, а также применением поворотной, на поперечной оси, реверсивной заслонки.
Отсутствие мнемоники при управлении курсом на заднем ходу в указанных РРУ объясняется тем, что при повороте сопла, например, на левый борт, струя воды отклоняется влево и, истекая из левого бокового окна реверсивной заслонки, создает реактивную силу, отклоняющую судно вправо, что усложняет управление. Усложнение заключается в том, что при повороте органа управления влево судно поворачивает вправо.
Наиболее близкими аналогами предлагаемого изобретения являются изобретение по авторскому свидетельству №157611 и изобретение по патенту RU 2459741 С1.
Однако изобретение по а.с. №157611 обладает недостатком, связанным со сложностью изготовления и монтажа четырех пластин, то есть по две совмещенных пластины на одной оси с каждой стороны водометного движителя, а также сложностью управления с их помощью из-за увеличения числа рулевых машин.
У такого реверсивно- рулевого устройства низкая эффективность, так как внутреннее пространство заслонки образовано параллелепипедом, который не обеспечивает плавный разворот потока воды из сопла движителя.
Реверсивно-рулевое устройство по патенту RU 2459741 С1, принятое за прототип, имеет следующие недостатки:
- сложность изготовления поворотных заслонок, имеющих коническую форму;
- сложность механизма смыкания и поворота захлопок, осуществляемых с помощью соосных цилиндрических втулок с тягами, проушинами и шатунами;
- низкая надежность механизма поворота захлопок ввиду большого количества деталей, находящихся в постоянном напряженном взаимодействии при работе реверсивно-рулевого устройства;
- низкая эффективность при управлении курсом на заднем ходу, так как выброс струи из реверсивной заслонки производится в носовую часть под острым углом к ДП на вертикальном участке выходного сечения, но боковую силу для управления по курсу создает только нижняя часть этой струи, поскольку верхняя часть струи попадает на транец судна. Основную роль в низкой эффективности такой реверсивной заслонки играет малый угол отклонения струи от ДП.
Задачей настоящего изобретения является устранение отмеченных недостатков.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предлагаемом изобретении реверс движителя осуществляется с помощью двух вертикальных синхронных рулей с закрылками, установленных за соплом по боковым краям его обечайки. При этом на нижних торцах рулей и закрылков имеются гидродинамические шайбы со стороны диаметральной плоскости движителя, а в нижней части сопла установлен козырек, являющийся продолжением сопла в корму.
Сущность изобретения заключается в том, что с помощью кинематической группы закрылки отклоняются синхронно с рулями, но на несколько большие углы. Сами рули по сигналам от системы управления могут отклоняться синхронно влево и вправо или в противоположные стороны. При установке обоих рулей с закрылками с отклонением к диаметральной плоскости (ДП) движителя со смыканием кормовых кромок закрылков левого и правого борта или с некоторым зазором между ними формируется реверсивная заслонка.
Технический результат при реализации изобретения состоит в следующем:
- в упрощении конструкции РРУ;
- в повышении надежности работы РРУ;
- в повышении эффективности и удобства управления судном.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг. 1 - вид сбоку РРУ,
Фиг. 2 - вид А на Фиг. 1,
Фиг. 3 - сечение Б-Б на Фиг. 1,
Фиг. 4 - сечение В-В на Фиг. 1, где показано положение рулей в нулевом положении и штрихточками показано положение рулей при максимально возможном отклонении к ДП движителя при реверсировании без управления по курсу,
Фиг. 5 - сечение В-В на Фиг. 1, где показано положение рулей при управлении по курсу на переднем ходу,
Фиг. 6 - сечение В-В на Фиг. 1, где показано положение рулей при реверсировании и управлении по курсу на заднем ходу,
Фиг. 7 - сечение В-В на Фиг. 1, где показано положение рулей, отклоненных к ДП движителя в промежуточное положение для режима «стоп». То есть при работающем движителе судно не имеет ход.
Фиг. 8 - сечение Д-Д на Фиг. 2,
Фиг. 9 - сечение Ж-Ж на Фиг. 4.
В соответствии с настоящим изобретением реверсивно-рулевое устройство размещается за соплом 1 водометного движителя и состоит из двух синхронных рулей 2 с закрылками 3, которые расположены вертикально и симметрично по обе стороны от ДП водометного движителя на расстоянии, примерно равном радиусу R сопла 1, и закреплены при помощи коробчатой рамы 4 и обухов 5. При этом в коробчатой раме 4 и на обухах 5 установлены шарнирные опоры 6 для осуществления поворота рулей 2. Управление реверсивно-рулевым устройством осуществляется системой управления (на чертежах не показано) путем синхронного поворота рулей 2 с закрылками 3 по определенным алгоритмам, которые будут описаны ниже.
З
Р
Рули 2 и закрылки 3 снабжены сверху баллерами соответственно 7 и 8, расположенными соответственно на осях Г и Е. К баллеру 8 закрылка жестко закреплен рычаг 9, который шарнирно связан с кулисой 10. Второй конец кулисы 10 шарнирно закреплен на коробчатой раме 4 (смотри Фиг. 1 и 3). Рычаг 9 с кулисой 10 составляют кинематическую группу. Положение осей Г и Е, а также плечи рычагов 9 и кулис 10, подобраны таким образом, чтобы при отклонении рулей на любой допустимый угол угол отклонения закрылков δ был примерно в 1,3-2,5 раза больше текущего значения угла отклонения руля δ. То есть относительный угол отклонения закрылка
В режиме реверсирования оба руля с закрылками отклоняются к ДП движителя на углы, обеспечивающие смыкание кормовых кромок закрылков левого и правого борта в районе ДП движителя (смотри Фиг. 4, показано штрихточками). Так формируется кормовая стенка реверсивной заслонки.
На нижнем торце рулей 2 и закрылков 3 установлены гидродинамические шайбы 11 и 12 соответственно. Указанные шайбы предназначены для формирования нижней части реверсивной заслонки (смотри Фиг. 2 и 4). Шайбы установлены с наклоном к ДП движителя под углом φ≈90°+α (смотри Фиг. 9), где α - угол среза козырька 13 на нижней части обечайки за соплом движителя. Козырек 13 служит для формирования нижней части реверсивной заслонки с обеспечением выхода потока воды вниз - вперед через сечения 14 (смотри Фиг. 2 и 4). Оптимальным углом выхода потока воды вниз - вперед является угол α≈20°-30°, в связи с чем козырек срезан под углом α≈20°-30°.
Шайбы 11 и 12 имеют форму в плане со срезами кромок под углами γ в районе закрылка Е и под углами β с носовой и кормовой части, как показано на Фиг. 8, для обеспечения их смыкания при отклонении обоих рулей с закрылками для реверсирования (смотри Фиг. 4, показано штрихточками).
З
Р
Р
З
Наиболее рациональным является выбор положения осей Г и Е, а также плеч рычагов 9 и кулис 10 такими, что при отклонении рулей на любой допустимый угол угол отклонения закрылков δ был в 1,5 раза больше текущего значения угла отклонения руля δ, а при установке рулей на режим реверсирования, то есть до смыкания кормовых кромок закрылков в районе ДП движителя, углы отклонения рулей 2 и закрылков 3 становились примерно δ≈30° и δ≈45°. В этой оптимальной конструкции шайбы 11 и 12, при виде в плане, срезаны под углами γ≈60° в районе оси закрылка Е и под углами β≈105° с носовой и кормовой части (смотри Фиг. 8).
Сверху внутреннее пространство реверсивной заслонки ограничено коробчатой рамой 4 (смотри Фиг. 1, 2 и 3), что не позволяет потоку воды, истекающему из сопла движителя, распространяться вверх и поэтому поток отклоняется вниз, где у него есть выход из реверсивной заслонки в сечениях 14.
Коробчатая рама 4 закреплена к верхней части сопла 1 с помощью книц 15, которые одновременно являются носовой стенкой реверсивной заслонки и предотвращают утечку потока воды из нее в сторону носа (смотри Фиг. 1 и 2).
Реверсивно-рулевое устройство работает следующим образом.
На судне может быть установлен один или несколько водометных движителей с предлагаемым реверсивно-рулевым устройством.
При движении судна передним ходом от системы управления по курсу подается сигнал на рулевые машины таким образом, чтобы на реверсивно-рулевом устройстве оба руля с закрылками отклонялись, при помощи баллеров 7, в сторону одного борта. (Система управления и рулевые машины на чертежах не показаны.) При этом рули с закрылками могут отклоняться на углы, определяемые при проектировании РРУ.
Такое отклонение рулей обеспечивает отличную управляемость судна на всех скоростях переднего хода, так как рули с закрылком, как известно, являются эффективным органом управления, к тому же, в нашем случае, они отклоняют ускоренную струю воды из сопла водометного движителя.
Р
На Фиг. 5 показано управление по курсу вправо при перекладке рулей на δ≈16° вправо. При управлении влево рули перекладываются влево, то есть на левый борт.
Высокая эффективность рулей, естественно, обеспечивает и высокую степень стабилизации судна по курсу.
При реверсировании судна (задний ход) на рулевые машины подается сигнал так, чтобы оба руля с закрылками реверсивно-рулевого устройства отклонились к ДП движителя на углы, обеспечивающие смыкание кормовых кромок закрылков левого и правого борта (смотри Фиг. 4, показано штрихточками).
В описании конструкции РРУ было показано, как сформировано внутреннее пространство реверсивной заслонки. Отметим здесь, что предлагаемая реверсивная заслонка наиболее полно удовлетворяет оптимальному развороту струи из сопла движителя так как:
- верхняя плоская часть РРУ, добавляя объем внутреннего пространства реверсивной заслонки, способствует накоплению энергии воды, а застойная зона, образовавшаяся в районе книц 15, сглаживает поток воды, идущий из сопла, направляя его вниз для дальнейшего формирования и выброса в направлении вниз - вперед (на Фиг. 2 стрелками показано направление потоков воды при реверсировании);
- ниже оси сопла движителя поток воды, идущий из сопла, формируется при помощи поверхностей рулей с закрылками, которые имеют неширокие вертикальные грани, способствующие некрутому развороту потока воды к носу в направлении к сечениям 14 (на Фиг. 4 стрелками показано направление потоков воды при реверсировании);
- в формировании потока воды в нижней части реверсивной заслонки для направления его вниз - вперед (для создания реактивной тяги на задний ход), эффективно участвуют наклонные шайбы 11 и 12 (смотри Фиг. 4 и 9, на которых стрелками показано направление потоков воды в реверсивной заслонке).
Из рассмотрения Фиг. 2 и 4 видно, что внутреннее пространство реверсивной заслонки сформировано весьма рационально для изменения направления струи из сопла вниз - вперед для реверса.
Изменение скорости заднего хода судна можно осуществлять как отклонением рулей с закрылками в сторону к ДП движителя, не доводя кормовые кромки закрылков до смыкания, обеспечивая различные значения зазора между ними, так и изменением частоты вращения рабочего колеса водометного движителя.
Р
Управление судном по курсу на заднем ходу осуществляется следующим образом. Отклоненные к ДП движителя рули с закрылками со смыканием кормовых кромок закрылков дополнительно синхронно отклоняются, по сигналу от системы управления, но уже в одну сторону (влево или вправо). При этом дополнительное отклонение рулей осуществляется приближенно на углы δ≤±8°. В итоге положение рулей с закрылками формируют внутреннее пространство реверсивной заслонки, как показано на Фиг. 6, где рули дополнительно отклонены на правый борт. Такое положение обеспечивает эффективное управление на заднем ходу, так как поток воды из реверсивной заслонки вытекает сформированной струей между закрылками левого и правого бортов. В носовой части заслонки между носовыми частями рулей 2 и соплом 1 (смотри Фиг. 6) струи воды в носовой части заслонки с левого борта более массивные, чем с правого борта, и направлены в сторону того же борта, что и струи между закрылками, то есть на левый борт. Это увеличивает эффект реактивных струй из реверсивной заслонки, которые создают боковую силу на правый борт. Таким образом, в приведенном примере Фиг. 6 судно будет двигаться задним ходом вправо. Указанное управление на заднем ходу, так называемое мнемоническое, в предлагаемом изобретении является преимуществом над большинством существующих РРУ, т.к. при перекладке рулей на правый борт судно поворачивает вправо, а при перекладке рулей на левый борт - влево. Это повышает удобство управления на заднем ходу.
Предлагаемое РРУ обеспечивает также режим «стоп». То есть при работающем водометном движителе на любых оборотах судно стоит на месте и может управляться с помощью РРУ. Для этого по сигналу от системы управления оба руля с закрылками устанавливаются отклоненными к ДП движителя в промежуточное положение, как показано на Фиг. 7. Причем угол поворота рулей зависит от числа оборотов водометного движителя и устанавливается индивидуально в каждом конкретном случае так, чтобы скорость судна отсутствовала. При этом струя воды из сопла распределяется рулевым устройством так, что суммарная реакция растекающихся струй к носу и в корму равна нулю.
Для разворота судна на месте оба руля с закрылками дополнительно синхронно отклоняются, но уже в одну сторону (влево или вправо), по сигналу от системы управления. При этом разворот судна будет осуществляться аналогично показанному на Фиг. 6.
Предлагаемое РРУ обеспечивает эффективное управление судном по курсу на переднем и заднем ходах, управление скоростью судна от переднего хода до заднего (без изменения оборотов движителя), а также маневрирование при отсутствии хода. При этом управление на заднем ходу выполняется с повышенным удобством, так как в РРУ осуществлена мнемоника.
Применение в РРУ преимущественно плоских и цилиндрических конструкций существенно упрощает его и, следовательно, повышает надежность работы и удешевляет изготовление.