Подруливающее устройство
Использование: оборудование судов, средства активного управления движением судов, в том числе в подруливающих устройствах (ПУ). Сущность: создание средства активного управления движением судна, при введении нового концептуального подхода к решению проблемы повышения пропульсивных характеристик ПУ посредством создания и использования реактивной тяги профилированного сопла специальной конструкции. Технический результат: реализация максимально возможного пропульсивного коэффициента ПУ, характеризующего КПД двигателя, обеспечение более рационального использование энергии для создания оптимальной движуще-управляющей силы, улучшение управляемости и увеличение скорости движения судна. 1 с. и 6 з.пп. ф-лы, 3 фиг.
Техническое решение относится к оборудованию судов и может быть использовано в средствах активного управления движением судов, в том числе в подруливающих устройствах (ПУ).
Средства активного управления судном конструктивно выполняются [10, 11] в виде подруливающих устройств (ПУ), устанавливаемых в каналах (тоннелях), проходящих поперек корпуса судна, а также в виде поворотных винторулевых колонок (движительно-рулевых колонок - ДРК).
В последнее время запатентованы: устройство ДРК [9] для активного управления судном, водометный движительно-двигательный комплекс [8], средства [5-7] активного управления для судов и кораблей различного типа, подруливающие устройства [1-3]. Ряд ПУ [4] выпускается промышленностью.
Известные ПУ, как правило, представляют конструкцию в виде прямолинейного канала (тоннеля), соединяющего противоположные борта судна, с установленным в нем гребным винтом (винтами) фиксированного или регулируемого шага, способным(и) создавать тягу в двух противоположных направлениях, перпендикулярных диаметральной плоскости судна.
Так, подруливающее устройство [3] содержит расположенный в поперечном тоннеле корпуса судна движитель, включающий в себя гондолу и гребной вал с гребным винтом, приводной двигатель, размещенный в корпусе судна и кинематически связанный с движителем посредством вала и зубчатой передачи, ведомое зубчатое колесо которой смонтировано на гребном валу. ПУ [3] снабжено дополнительным приводным двигателем.
Недостатком ПУ [3] является снижение тяги и пропульсивных характеристик из-за повышенного гидравлического сопротивления, связанного с закручиванием потока гребного винта (ПГВ), поскольку вода, проходя через диск винта, закручивается по направлению его вращения на угол между векторами абсолютной и осевой скорости ПГВ.
Гидродинамическое сопротивление из-за закручивания ПГВ может быть, в ряде случаев, снижено и/или устранено установкой [1, 2] на выходах тоннеля неподвижных направляющих лопаток, входящие кромки которых изогнуты навстречу направлению вращения гребного винта. Направляющие лопатки спрямляют турбулентное срывное течение и закрученный ПГВ, при этом безударные углы натекания ПГВ на лопатки определяются [1, 2], как правило, экспериментально при модельных испытаниях ПУ.
Известное ПУ [1], принятое за прототип, содержит в трубе (поперечном канале корпуса судна) движитель и размещенный в корпусе судна и кинематически связанный с движителем приводной двигатель, при этом движитель включает в себя гондолу и гребной вал с гребным винтом регулируемого шага (ВРШ). На выходах трубы (канала) установлены формирователи ПГВ, выполненные в виде контрвинтов с радиальными плоскими лопатками, которые закреплены на кольцевом крыле.
Однако формирователи ПГВ ПУ [1] служат, в основном, для спрямления и ламинаризации потока, устраняя срывные течения, вихри и закрутку ПГВ, но не позволяют увеличить тягу и пропульсивный коэффициент, максимальное возможное значение которых может быть достигнуто с ускорением ПГВ при реализации режима реактивной тяги.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании подруливающего устройства, реализующего пионерную, не имеющую аналогов технологию ПУ по принципу двухстороннего реактивного сопла. Такое подруливающее устройство может быть создано на базе известных конструкций [1-3], являющихся аналогами предложенного технического решения в части общей структуры, и при введении нового концептуального подхода к решению проблемы повышения пропульсивных характеристик ПУ посредством создания и использования реактивной тяги.
Основной технический результат - реализация максимально возможной гидродинамической эффективности, т.е. реализация максимально возможного пропульсивного коэффициента установки, характеризующего КПД двигателя. Технический результат достигается за счет увеличения скорости ПГВ в реактивном сопле специальной конструкции и, соответственно, увеличения энергии воды, преобразующейся в упор, сообщающий движение корпусу судна, при синергии с устранением нежелательных гидродинамических потерь из-за закручивания ПГВ (вихрей, отрывного течения, ударов при натекании ПГВ на лопатки) и повышением ламинарности ПГВ. Предлагаемое ПУ позволяет обеспечить более рациональное использование энергии для создания оптимальной движуще-управляющей силы, улучшить управляемость и увеличить скорость движения судна.
Технический результат достигается следующим образом.
Подруливающее устройство содержит расположенный в поперечном канале корпуса судна движитель и размещенный в корпусе судна и кинематически связанный с движителем приводной двигатель, при этом движитель включает в себя гондолу и гребной вал с гребным винтом, а на выходах канала установлены формирователи потока гребного винта (ПГВ).
Отличительной особенностью ПУ является то, что каждый из формирователей ПГВ выполнен в виде сужающегося профилированного сопла, образованного направляющими ПГВ лепестками, закрепленными на неподвижном кольцевом крыле и изогнутыми навстречу направлению вращения гребного винта.
Отличием ПУ также является то, что конструкция сужающегося профилированного сопла определяется условиями увеличения пропульсивного коэффициента движителя, которые выражаются соотношениями
где 
- плотность воды, кг3/м;
Q - объемный расход воды ПГВ, м3/с;
V 1 - скорость ПГВ у входного отверстия сопла с площадью S1 поперечного сечения, м/с;
n - отношение площадей поперечного сечения S1 и S2 входного и выходного отверстий сопла, S2=nS1 (n<1), характеризующее степень сужения профилированного сопла;
Fгс - сила гидравлического сопротивления сопла в ПГВ, Н;
r - радиус кольцевого крыла;
R - радиус канала (гребного винта).
Кроме того, ПУ отличается тем, что направляющие лепестки, образующие профилированное сопло, изогнуты навстречу направлению вращения гребного винта на величину среднего угла закрутки ПГВ и имеют, в частном случае, синусоидальный профиль.
Устройство также отличается тем, что двигатель выполнен с реверсивным приводом для обеспечения реверсирования ПГВ.
Гребной винт может быть выполнен в виде винта фиксированного или регулируемого шага.
Кроме того, устройство может быть дополнительно снабжено вторым гребным винтом с противоположным направлением вращения.
При этом на выходах поперечного канала корпуса судна за профилированными соплами формирователей ПГВ установлены жалюзи, выполняющие функцию защитных решеток канала.
В конкретных случаях выполнения устройство является носовым подруливающим устройством крупнотоннажных танкеров, буксиров и/или систем динамического позиционирования буровых судов.
Выражение (1) получено из условия увеличения силы упора при реализации эффективной реактивной тяги
где F1 - сила, создаваемая ПГВ в зоне канала до вхождения потока со скоростью V1 в сопло;
F2 - сила, создаваемая ПГВ со скоростью V2 после прохождения сопла.
Поскольку уравнение второго закона Ньютона для ПГВ с учетом объемного расхода жидкости Q имеет вид [12, с.600-601].
F1,2=QV1,2,
то выражение (3) при сужении сопла, равном n=S2/S1, (из уравнения [13, с.70] неразрывности потока V2S2=V1 S1:n=V1/V2) примет вид соотношения (1).
При этом площади поперечного сечения S 1,2 являются суммарной площадью сечений кольцевого крыла и просветов между направляющими лепестками сопла формирователя ПГВ.
Выражение (2) получено из условия эффективного увеличения силы упора (3) для заданной конструкции сопла, которое может быть оценено теоретически с использованием приближенных методов [11, т.2, с.244-245], но в конечном счете определяется экспериментально при модельных испытаниях сопла и ПУ в целом [10, с.500; 11, т.1, с.174; 13, с.72].
На фиг.1 представлена общая конструктивная схема ПУ; на фиг.2 приведена схема сужающегося профилированного сопла, формирующего ПГВ; на фиг.3 дан вид А-А фиг.2.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - корпус судна;
2 - поперечный канал корпуса судна;
3 - гондола движителя;
4 - гребной винт движителя (ГВ);
5 - приводной двигатель;
6 - профилированное сопло (формирователь (ПГВ);
7 - направляющие лепестки формирователя ПГВ;
8 - кольцевое крыло формирователя ПГВ;
9 - входное профилированное отверстие сопла;
10 - выходное профилированное отверстие сопла;
11 - защитные жалюзи на выходах канала.
Работа ПУ заключается в следующем.
При включении привода двигателя 5 гребной винт 4 создает в канале 2 усилие (силу ПГВ) F1, направленное в сторону кольцевого крыла 8 и входного профилированного отверстия 9 сопла 6 (левого на фиг.1). Поскольку направляющие лепестки 7, образующие профилированное сопло 6 изогнуты навстречу направлению вращения гребного винта 4 на величину среднего угла закрутки ПГВ, то в сопле 6 производится спрямление и ламинаризация потока (устраняются отрывные течения винта, вихри и закрутка ПГВ). Углы изгиба направляющих лепестков 7 (углы закрутки ПГВ), в ряде случаев, могут быть оценены теоретически, но ввиду чрезвычайной сложности гидродинамических расчетов (см., например: [10, с.500], [11, т.1, с.174-175; т.2, с.244-245]) значения углов изгиба, как правило, определяются экспериментально [2, 8, 9]. В частном случае направляющие лепестки 7 могут иметь синусоидальный профиль [8].
Поток гребного винта 4 обтекает кольцевое крыло 8 и направляющие лепестки 7, проходит через сужающееся сопло 6 и создает на его выходном отверстии 10 силу F2, которая при выполнении условий (1, 2) увеличивает скорость ПГВ и приводит к возникновению реактивной тяги, преобразующийся в дополнительный упор, сообщающий движение корпуса судна 1. Значение гидравлического сопротивления F гc сопла 6 определяется и оптимизируется экспериментально [10, с.500; 12, с.215; 13, с.72] при модельных испытаниях, как и углы изгиба направляющих лепестков 7.
Для обеспечения реверсирования ПГВ и направления его в сторону противоположного сопла 6 (правого на фиг.1) двигатель 5 выполнен с реверсивным приводом.
Гребной винт 4 может быть выполнен в виде винта фиксированного или регулируемого шага. При этом ПУ может быть дополнительно снабжено вторым гребным винтом с противоположным направлением вращения (для реверсирования ПГВ).
В конкретных случаях выполнения устройство является носовым подруливающим устройством крупнотоннажных танкеров, буксиров и/или систем динамического позиционирования буровых судов, которые должны иметь [11, т.1, с.195] высокие пропульсивные характеристики.
Жалюзи 11 на выходах 10 поперечного канала 2 корпуса судна 1 за профилированными соплами 6 формирователей ПГВ выполняют функцию защитных решеток канала 2 [10].
Таким образом, синергия устранения нежелательных гидродинамических потерь с реализацией адекватной реактивной тяги в профилированном сопле обеспечивает технический результат в виде достижения максимально возможного пропульсивного коэффициента, характеризующего КПД движителя судна.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. SU 1793633 А1, 27.07.1996 (прототип).
(RU 1793633 C1, 20.06.1997).
2. RU 2032594 С1, 10.04.1995 (аналог).
3. RU 2041134 С1, 09.08.1995 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
4. Подруливающие устройства: http://drackar.ru.
5. RU 2297942 C2, 27.04.2007.
6. RU 2300477 С1, 10.06.2007.
7. RU 65016 U1, 27.07.2007.
8. RU 2204502 С2, 20.05.2003.
9. RU 2142894 С1, 20.12.1999.
10. Новый политехнический словарь / Под ред. А.Ю.Ишлинского. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. - 671 с. (см.: Подруливающие устройства, с.395).
11. Морской энциклопедический справочник: В двух томах. Том 2 / Под ред. Н.Н.Исанина. - Л.: Судостроение, 1987. - 520 с. (см. Подруливающие устройства, с.262).
12. Краткий политехнический словарь. - М.: Гос. изд.-во технико-теоретической литературы, 1956. - 1136 с.
13. Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное рководство по физике для поступающих в вузы и самообразования. - М.: Наука. Главн. ред. физ.-мат. литературы, 1984. - 383 с.
1. Подруливающее устройство, содержащее расположенный в поперечном канале корпуса судна движитель и размещенный в корпусе судна и кинематически связанный с движителем приводной двигатель, при этом движитель включает в себя гондолу и гребной вал с гребным винтом, а на выходах канала установлены формирователи потока гребного винта (ПГВ), отличающееся тем, что каждый из формирователей ПГВ выполнен в виде сужающегося профилированного сопла, образованного направляющими ПГВ лепестками, закрепленными на неподвижном кольцевом крыле и изогнутыми навстречу направлению вращения гребного винта.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направляющие лепестки, образующие профилированное сопло, изогнуты навстречу направлению вращения гребного винта на величину среднего угла закрутки ПГВ и имеют, в частном случае, синусоидальный профиль.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что двигатель выполнен с реверсивным приводом для обеспечения реверсирования ПГВ.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гребной винт выполнен в виде винта фиксированного или регулируемого шага.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно снабжено вторым гребным винтом с противоположным направлением вращения.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на выходах поперечного канала корпуса судна за профилированными соплами формирователей ПГВ установлены жалюзи, выполняющие функцию защитных решеток канала.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что является носовым подруливающим устройством крупнотоннажных танкеров, буксиров и/или систем динамического позиционирования буровых судов.
