Реверсивный равноупорный гребной винт

Использование: конструирование реверсивных равноупорных гребных винтов (ГВ) в движителях и/или в подруливающих устройствах подводных аппаратов, а также в осевых лопастных насосах перекачивающих станций. Сущность: создание ГВ, который при сохранении достоинств известных устройств позволил бы реализовать более рациональную конструкцию с лопастями, имеющими в сечении несимметричный крыльевой профиль, и обеспечить улучшение тяговых характеристик на заднем (обратном) ходу путем создания при реверсировании упора обратного хода, равного упору прямого хода ГВ. Технический результат: повышение КПД при реверсе путем снижения на обратном ходу профильных потерь ГВ с несимметричным контуром лопастей. Синергетический технический результат заключается в совокупном использовании оптимальной формы лопастей ГВ и создании равных упоров на прямом и обратном ходах реверсивного ГВ посредством разворачивания на обратном ходу входящих (передних) кромок лопастей ГВ в сторону набегающего потока воды.

1 с. и 4 з.пп. ф-лы, 2 фиг.

Техническое решение относится к воздействующим на воду движителям и может быть использовано при конструировании реверсивных равноупорных гребных винтов (ГВ) в движителях и/или в подруливающих устройствах подводных аппаратов, а также в осевых лопастных насосах перекачивающих станций.

Как известно [3, с.18-41, с.237-245], основной задачей при конструировании ГВ и при их использовании является достижение максимального коэффициента полезного действия (КПД) в зависимости от различных факторов: геометрии и профиля ГВ, кинематических и гидродинамических характеристик ГВ, потерь энергии при работе ГВ, направления движения (в том числе при реверсировании) и др.

Наряду с винтами регулируемого шага (ВРШ) в настоящее время широко применяются винты фиксированного шага (ВФШ), имеющие небольшую массу и обладающие меньшей сложностью. При этом небольшие ГВ с несимметричной (саблевидной) профилировкой лопастных сечений следует считать наиболее приемлемыми для использования в движителях и подруливающих устройствах подводных аппаратов [6, 8, 9].

Оптимальная конструкция и гидродинамические характеристики несимметричных (саблевидных) лопастей крыльевого профиля, обеспечивающих максимальный КПД лопастного движителя, в ряде случаев, могут быть оценены теоретически [3, с.21-26, с.174-223], но ввиду чрезвычайной сложности гидродинамических расчетов (см. например [7, т.2, с.124-125]) они, как правило, определяются экспериментально [7, т.1, с.174-175; т.2, с.224-244]. При этом стараются достичь максимального КПД движителя для прямого хода судна (при совпадении стороны входящих кромок винта с его нагнетающей поверхностью). Основные конструктивные особенности ГВ, включая профили лопастей, а также технология повышения эффективности ГВ описаны в работах 1980-х годов [3, 6, 7].

В последнее время запатентован ряд устройств, модифицирующих известные ранее технические решения. В [8, 9] описаны модификации реверсивных ГВ подводного аппарата и подруливающих устройств, однако вопросы реверса движителя рассмотрены недостаточно, без акцентирования на достижение максимального КПД. Гребные винты [4, 5] являются усовершенствованием ВРШ и не затрагивают вопроса геометрии лопастей ГВ.

Известный ГВ [2] относится только к форме лопастей и не касается вопросов повышения эффективности работы при реверсе ГВ. ГВ [1] - напротив: позволяет повысить эффективность работы посредством применения подвижных лопастей, однако не рассматривает многих существенных характеристик повышения КПД.

Принятый за прототип ГВ [1] по патенту RU 2136538 С1, 10.09.1999 содержит соединенную с гребным валом ступицу с установленным на ней обтекателем и закрепленные в ступице лопасти, причем лопастные валы размещены в ступице с возможностью поворота лопастей.

Однако, как и в других известных патентах (см., например [8, 9]), в прототипе [1] используется ГВ с обычным (классическим) симметричным профилем, описанным еще в [3, 7], т.е. прототип [1] не касается таких важных проблем конструирования, как выбор оптимальной геометрии (профиля) лопастей. Кроме того, задача повышения эффективности (КПД) работы при реверсировании ГВ в [1] не решена. Недостатком ГВ [1] является также декларативное изложение признаков о механической связи лопастей и возможности их вращения в ступице, что затрудняет практическую реализацию устройства и ставит под сомнение промышленную применимость ГВ [1].

Указанные недостатки прототипа [1] и других известных ГВ (см. например [2, 3, 4, 5, 8, 9]) могут быть устранены предлагаемым новым конструктивным решением.

Как известно [3, с.35-36, с.183] повышение КПД ГВ достигается специальной профилировкой лопастных сечений. Однако, в общем случае, КПД ГВ для обратного хода для профилированных лопастей имеет меньшее значение, чем для прямого хода [3, с.279], и этот недостаток необходимо устранить при использовании ГВ в телеуправляемых подводных аппаратах, подруливающих устройствах, а также в осевых лопастных насосах.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании такого ГВ, который при сохранении достоинств известных устройств позволил бы реализовать более рациональную конструкцию с лопастями, имеющими в сечении несимметричный крыльевой профиль, и обеспечить улучшение тяговых характеристик на заднем (обратном) ходу путем создания при реверсировании упора обратного хода, равного упору прямого хода ГВ.

Основной технический результат предложенного ГВ - повышение КПД при реверсе путем снижения на обратном ходу профильных потерь ГВ с несимметричным контуром лопастей. Синергетический технический результат заключается в совокупном использовании оптимальной формы лопастей ГВ и создании равных упоров на прямом и обратном ходах реверсивного ГВ посредством разворачивания на обратном ходу входящих (передних) кромок лопастей ГВ в сторону набегающего потока воды. При использовании предложенной конструкции в ГВ подводных аппаратов и подруливающих устройств повышается их маневренность и оперативность управления в режимах как прямого (переднего), так и обратного (заднего) хода, а при размещении ГВ под углом 40-50° к диаметральной плоскости подводных объектов - и в режимах хода «вверх-вниз», «влево-вправо».

Технический результат достигается следующим образом.

Реверсивный гребной винт (ГВ) содержит соединенную с гребным валом ступицу с установленным на ней обтекателем, закрепленные в ступице лопасти, причем лопастные валы размещены в ступице с возможностью поворота лопастей.

Отличительной особенностью ГВ является то, что лопасти ГВ имеют в сечении несимметричный крыльевой профиль, поворотное устройство лопастей ГВ, свободно вращающееся в ступице на подшипниках вокруг гребного вала и выполненное в виде реверсивной зубчатой передачи, включает вал с жестко установленной на нем конической прямозубой втулкой-колесом, образующей зубчатую коническую передачу с коническими шестернями, жестко закрепленными на лопастных валах. Поворотное устройство снабжено закрепленным на нем стопорным рычагом, ограничивающим его вращение в заданном секторе. При этом реверсивный ГВ выполнен равноупорным для прямого и обратного хода с возможностью реализации максимального значения коэффициента полезного действия _max в соответствии с соотношениями

где Р_п и Р₀ - упоры ГВ, создаваемые для прямого (п) и обратного (о) хода соответственно;

_п и ₀ - коэффициенты полезного действия ГВ для прямого и обратного хода.

При этом ГВ содержит от двух до пяти лопастей, лопастный вал каждой из которых снабжен конической шестерней, образующей зубчатую коническую передачу с конической втулкой-колесом, жестко закрепленной на валу поворотного устройства.

ГВ также отличается тем, что сектор вращения поворотного устройства, регулируемый стопорным рычагом, задается в зависимости от характеристик реверсивной зубчатой передачи и составляет, например, 90°.

Лопастные валы в корпусе поворотного устройства и поворотное устройство в ступице ГВ установлены посредством подшипников, обеспечивающих их вращение.

В конкретных случаях ГВ выполнен с возможностью установки в движителях и/или подруливающих устройствах телеуправляемых подводных аппаратов.

На фиг.1 и 2 представлены конструктивная схема и внешний вид (вариант 4-х лопастного ГВ) реверсивного равноупорного ГВ. На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - ступица ГВ (корпус поворотного устройства);

2 - гребной вал;

3 - обтекатель;

4 - лопасти;

5 - лопастный вал;

6 - вал поворотного устройства;

7 - коническая прямозубая втулка-колесо вала поворотного устройства;

8 - коническая шестерня лопастного вала;

9 - стопорный рычаг;

10 - подшипники поворотного устройства;

11 - подшипники лопастного вала.

Реверсивный равноупорный ГВ работает следующим образом.

Исходная установка на ступице 1 профилированных лопастей 4 и обтекателя 3 определяется [3, 7] расчетным и экспериментальным путем с целью получения оптимальных параметров движения для прямого (переднего) хода ГВ при максимальном упоре Р_mах для прямого хода (Р_п=Р_mах). Лопасти 4 ГВ имеют в сечении несимметричный крыльевой профиль, обеспечивающий максимальный упор Р_п прямого хода (Р_п=Р_mах ) для данного типа подводных судов.

Направление упора Р, создаваемого гребным валом 2 ГВ, однозначно определяется направлением его вращения. Для осуществления реверса ГВ изменяется направление вращения гребного вала 2 и соответственно ГВ. Упор Р_o обратного хода ГВ меньше упора прямого хода Р _п, поэтому для выполнения соотношений (1), (2) на обратном ходу входящие (передние) кромки лопастей 4 разворачиваются на 180° в сторону набегающего потока воды.

Разворот лопастей 4 осуществляет поворотное устройство ГВ. При изменении на противоположное вращения вала 2 поворотного устройства корпус поворотного устройства (ступица 1) под действием момента инерции поворачивается в сторону, противоположную вращению вала 6, на заданный сектор. Вместе с корпусом 1 по направляющей конической втулке-колесу 7 поворачивается на заданный сектор система «конические шестерни 8 - валы 5 лопастей 4 - лопасти 4».

Стопорный рычаг 9 ограничивает вращение конической втулки-колеса 7 в заданном секторе, который задается в зависимости от характеристик реверсивной зубчатой передачи 7-8 и может составлять, например 90°. При этом лопасти 4 и их входящие кромки разворачиваются на 180° в сторону набегающего потока воды.

Таким образом, на обратном ходу создается упор Р_o, равный упору Р_п прямого хода, т.е. выполняются соотношения (1), (2).

Поворотное устройство установлено на подшипниках 10, а подшипники 11 служат для заделки валов 5 и обеспечивают разворот лопастей 4.

Реверсивный равноупорный ГВ может содержать от 2 до 5 лопастей 4 (см. фиг.2, где представлен четырехлопастный ГВ), лопастный вал 5 каждой из которых снабжен конической шестерней 8, образующей зубчатую коническую передачу с конической втулкой-колесом 7, жестко закрепленной на валу 6 поворотного устройства.

Реверсивный равноупорный ГВ в конкретных случаях устанавливается в движителях и/или подруливающих устройствах телеуправляемых подводных аппаратов.

Предложенная новая конструкция ГВ позволяет использовать движители с несимметричным (саблевидным) контуром лопастей и увеличить КПД при реверсном движении, что подтверждено экспериментально: проведенные испытания показали, что средние значения увеличения КПД ГВ обратного хода ₀ при неизменной мощности двигателя составляют 15 - 18%, а, в ряде случаев могут достигать 25%.

Таким образом, из формулы и описания ГВ и его работы следует, что достигается его назначение с указанным техническим результатом, который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков независимого пункта формулы.

ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ

I. Прототип и аналоги:

1. RU 2136538 С1, 10.09.1999 (прототип).

2. RU 112855 U1, 27.01.2012 (аналог).

3. Артюшков Л.С., Ачкинадзе А.Ш., Русецкий А.А. Судовые движители. - Л.: Судостроение, 1988. - 296 с.(аналог).

II. Дополнительные источники по уровню техники:

4. RU 101428 U1, 20.01.2011.

5. RU 2225804 С2, 20.03.2004.

6. Милн П. Подводные инженерные исследования: Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1984. - 334 с.

7. Морской энциклопедический справочник: В двух томах / Под ред. Н.Н.Исанина. - Л.: Судостроение, 1987, Т.1 - 512 с; Т.2 - 520 с.

8. RU 108747 U1, 27.09.2011.

9. RU 2440277 С2, 20.01.2012.

1. Реверсивный гребной винт, содержащий соединенную с гребным валом ступицу с установленным на ней обтекателем, закрепленные в ступице лопасти, причем лопастные валы размещены в ступице с возможностью поворота лопастей, отличающийся тем, что лопасти гребного винта имеют в сечении несимметричный крыльевой профиль, поворотное устройство лопастей гребного винта, свободно вращающееся в ступице на подшипниках вокруг гребного вала и выполненное в виде реверсивной зубчатой передачи, включает вал с жестко установленной на нем конической прямозубой втулкой-колесом, образующей зубчатую коническую передачу с коническими шестернями, жестко закрепленными на лопастных валах, и снабжено закрепленным на нем стопорным рычагом, ограничивающим его вращение в заданном секторе, при этом реверсивный гребной винт выполнен равноупорным для прямого и обратного хода с возможностью реализации максимального значения коэффициента полезного действия _max в соответствии с соотношениями

P _п=Р_o,

_п=_о=_max,

где Р_п и Р_o - упоры гребного винта, создаваемые для прямого (п) и обратного (о) хода соответственно;

_п и _о - коэффициенты полезного действия гребного винта для прямого и обратного хода.

2. Реверсивный гребной винт по п.1, отличающийся тем, что он содержит от двух до пяти лопастей, лопастный вал каждой из которых снабжен конической шестерней, образующей зубчатую коническую передачу с конической втулкой-колесом, жестко закрепленной на валу поворотного устройства.

3. Реверсивный гребной винт по п.1, отличающийся тем, что сектор вращения поворотного устройства, регулируемый стопорным рычагом, задается в зависимости от характеристик реверсивной зубчатой передачи и составляет, например, 90°.

4. Реверсивный гребной винт по п.1, отличающийся тем, что лопастные валы в корпусе поворотного устройства и поворотное устройство в ступице гребного винта установлены посредством подшипников, обеспечивающих их вращение.

5. Реверсивный гребной винт по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью установки в движителях и/или подруливающих устройствах телеуправляемых подводных аппаратов.