Водометный движительно-рулевой комплекс

Водометный движительно-рулевой комплекс

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области судостроения и касается вопросов разработки водометных движителей с реверсивно-рулевым комплексом (ВДРК).

Для обеспечения маневренности судов водометные движители снабжают реверсивно-рулевыми устройствами (РРУ), посредством которых изменяют направление действия тяги. Размеры устройств обычно определяются геометрическими параметрами выходного сечения сопла движителя, которые обычно вместе с требованиями к РРУ по управляемости судна на переднем и заднем ходах обуславливают большие габариты и массы конструкции, достигающие 5-7% от водоизмещения судна. Для снижения весогабаритных параметров ВДРК иногда сокращают длину движителя, совмещая сопло со спрямляющим аппаратом.

Известен ВДРК (патент RU №2205774 С1. 7 В63Н 11/08, 11/10, 11/103, 11/11 10 июня 2003 г.), содержащий водовод, рабочее колесо с обтекателем ступицы, прикрепленным к водоводу с помощью 4 профилированных стоек, сопло с вытянутой в горизонтальном направлении щелевой формой выходного сечения и размещенное за соплом реверсивно-рулевое устройство, состоящее из расположенной непосредственно за соплом ограничительной плиты, под которой размещены два руля, и поворотного дефлектора, принятый за прототип.

Вместе с тем, несмотря на простоту и эффективность конструкции прототипа по сравнению с традиционными водометными движителями, он обладает рядом недостатков, к которым следует отнести:

- сложность при изготовлении сопла движителя, обусловленная необходимостью закрепления профилированных направляющих стоек к стенкам сопла и обтекателю ступицы рабочего колеса;

- при использовании ВДРК при маневрировании на режиме заднего хода разворот судна осуществляется в сторону, противоположную направлению поворота штурвала, и по траектории, не совпадающей с траекторией разворота судна на переднем ходу, что не характерно для судов с гребными винтами;

- недостаточная эффективность управления судном на режиме заднего хода.

Задачей заявляемого изобретения является достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции и улучшении технологичности изготовления сопла движителя, в обеспечении на режиме заднего хода разворота судна в ту же сторону, что и поворот штурвала управления судном, и по той же траектории, что и на переднем ходу, но в противоположном направлении, а также в повышении эффективности управления судном на режиме заднего хода.

Для решения этой задачи у ВДРК, содержащего водовод, рабочее колесо с обтекателем ступицы, прикрепленным к водоводу с помощью профилированных стоек, сопло со щелевым выходным сечением и реверсивно-рулевое устройство, имеющее расположенные за срезом сопла ограничительную плиту и поворотный дефлектор, сопло выполнено с двумя каналами, имеющими в выходном сечении щелевую форму в виде сегмента круга, причем стенки каналов образованы частью поверхности водовода, продолженного за рабочим колесом, и стенками двух вертикально расположенных друг над другом профилированных стоек обтекателя ступицы рабочего колеса, средняя линия сечения и форма поверхности каждой из которых изогнута таким образом, что на выходном участке сопла поверхность профилированных стоек перпендикулярна плоскости выходного сечения сопла, а на их входном участке средняя линия стоек наклонена к плоскости поперечного сечения водовода против направления вращения рабочего колеса под углом α≤80 градусов. Реверсивно-рулевое устройство дополнено поворотным дефлектором и ограничительной плитой, причем обе ограничительные плиты расположены вертикально за срезом сопла и являются продолжением стенок профилированных стоек обтекателя ступицы вдоль по потоку. Поворотные дефлекторы размещены между ограничительными плитами, оси вращения дефлекторов вертикальны. При этом движитель оборудован двумя каналами заднего хода для изменения направления выброса его струй при реверсе, сообщенными своими входными участками с полостью соответствующих поворотных дефлекторов в положении реверса, а выходные участки этих каналов ориентированы преимущественно против внешнего потока.

Кроме того, профилированные стойки в своей передней части за рабочим колесом имеют нулевую толщину, а вниз по потоку постепенно расширяются и имеют максимальную толщину в плоскости выходного сечения сопла, при этом обтекатель ступицы рабочего колеса имеет коническую форму, вблизи ступицы рабочего колеса его диаметр равен диаметру ступицы, а в районе выходного сечения сопла диаметр упомянутого обтекателя не меньше толщины профилированных стоек в том же месте.

При этом ширина каждой ограничительной плиты не менее высоты канала на выходном сечении сопла, а их длина вдоль потока составляет 0,3÷0,8 диаметра рабочего колеса.

Кроме того, поворотные дефлекторы выполнены в виде части кругового цилиндра с двумя торцевыми стенками, имеющими форму кругового сектора.

Наряду с этим, оси вращения дефлекторов совпадают с осью кривизны поперечных сечений образующей поверхности дефлектора.

При этом оси вращения дефлекторов расположены по отношению к ограничительным плитам таким образом, что при частичном повороте любого дефлектора его боковая кромка выступает из-за соответствующей ему ограничительной плиты и частично перекрывает проекцию сечения выходного отверстия соответствующего канала сопла, а при полном повороте дефлектора он полностью перекрывает эту проекцию.

Кроме того, внутренняя сторона направляющей поверхности дефлекторов во всех их положениях касается выходной кромки соответствующей ограничительной плиты, а их боковые стенки касаются верхней и нижней кромок упомянутой ограничительной плиты.

Кроме того, каналы заднего хода имеют в поперечном сечении вытянутую в вертикальном направлении форму.

Выполнение сопла с двумя каналами, имеющими в выходном сечении щелевую форму в виде сегмента круга, стенки каналов которого образованы частью поверхности водовода, продолженного за рабочим колесом, и стенками двух вертикально расположенных друг над другом профилированных стоек обтекателя ступицы рабочего колеса позволяет существенно упростить конструкцию сопла и уменьшить габариты сопла и движителя в целом, а также упростить технологию его изготовления за счет уменьшения количества деталей (имеется две стойки вместо четырех) и исключения профилировки свода.

Выполнение профилированных стоек в передней части за рабочим колесом с нулевой толщиной, а вниз по потоку постепенно расширяющейся и имеющей максимальную толщину в плоскости выходного сечения сопла, а также придание обтекателю ступицы рабочего колеса конической формы и выполнение диаметра обтекателя вблизи ступицы рабочего колеса равным диаметру ступицы, а в районе выходного сечения сопла равным толщине профилированных стоек также упрощает конструкцию и улучшает технологичность изготовления сопла.

Дополнение реверсивно-рулевого устройства поворотным дефлектором и ограничительной плитой, а также расположение обеих ограничительных плит вертикально за срезом сопла повышает эффективность управления судном на режиме заднего хода.

Выполнение ширины каждой ограничительной плиты, равной не менее высоты канала на выходном сечении сопла, а их длины вдоль потока, составляющей 0,3÷0,8 диаметра рабочего колеса, позволяют упросить конструкцию ВДРК, поскольку управление судном, оборудованным таким ВДРК, эффективно осуществляется без использования рулей и их приводной системы.

Выполнение поворотных дефлекторов в виде части кругового цилиндра с двумя торцевыми стенками, имеющими форму кругового сектора, с вертикальными осями вращения дефлекторов, совпадающими с центром кривизны поперечных сечений образующей поверхности дефлектора, и размещение дефлекторов между ограничительными плитами позволяет упростить конструкцию дефлекторов и уменьшить нагрузки на приводы управления элементов РРУ вследствие оптимального положения осей поворота дефлекторов.

Расположение дефлекторов относительно ограничительных плит таким образом, что при частичном повороте любого дефлектора его боковая кромка выступает из-за соответствующей ему ограничительной плиты и частично перекрывает проекцию сечения выходного отверстия соответствующего канала сопла, а при полном повороте дефлектора он полностью перекрывает эту проекцию, и, кроме того, внутренняя часть направляющей поверхности дефлектора во всех положениях касается выходной кромки соответствующей ограничительной плиты, а их боковые стенки касаются верхней и нижней кромок упомянутой ограничительной плиты, способствует повышению эффективности управления судном на режиме заднего хода в том же направлении, что и поворот штурвала судна, и разворота судна по той же траектории, что и траектория разворота судна на переднем ходу, но соответственно в противоположном направлении. Это важно для предотвращения аварий, вызванных привычкой судоводителя с опытом вождения судна с гребными винтами или автомобиля.

Оборудование движителя двумя каналами заднего хода для изменения направления выброса его струй при реверсе, совмещенными своими входными участками с полостью соответствующих поворотных дефлекторов в положении реверса и имеющими в поперечном сечении вытянутую в вертикальном направлении форму, выходные участки которых ориентированы против направления потока в сопле, позволяет повысить эффективность управления судном на заднем ходу.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема хвостовой части ВДРК, на фиг.2 - ВДРК - вид сверху, на фиг.3 - ВДРК - вид А, на фиг.4 - схема, поясняющая работу РРУ на режиме переднего хода, на фиг.5 - схема, поясняющая работу РРУ на режиме реверса, на фиг.6 - схема, поясняющая работу РРУ на режиме заднего хода и на фиг.7 - схема, поясняющая работу РРУ на "стоповом" режиме.

Здесь ВДРК содержит водовод 1, рабочее колесо 2 с обтекателем ступицы 3, прикрепленным к водоводу 1 с помощью профилированных стоек 4, сопло 5 со щелевым выходным сечением 6 и реверсивно-рулевое устройство, имеющее расположенные за срезом сопла 6 две ограничительные плиты 7 и два поворотных дефлектора 8 (фиг.1, 2, 3). Сопло 5 выполнено с двумя каналами, имеющими в выходном сечении щелевую сегментную форму 6 (фиг.2). Стенки каналов образованы частью поверхности водовода 1, продолженного за рабочим колесом 2, и стенками двух вертикально расположенных друг над другом профилированных стоек 4 обтекателя ступицы рабочего колеса 3. Профилированные стойки 4 в своей передней части за рабочим колесом 2 имеют нулевую толщину, а вниз по потоку постепенно расширяются и имеют максимальную толщину в плоскости выходного сечения сопла 6 (фиг.2). Обтекатель ступицы 3 рабочего колеса 2 имеет коническую форму, вблизи ступицы рабочего колеса его диаметр равен диаметру ступицы 3, а в районе выходного сечения сопла 5 его диаметр равен толщине профилированных стоек 4 в том же месте (фиг.1, 2). Ограничительные плиты 7 расположены вертикально за срезом сопла 6 (фиг.3) и являются продолжением стенок профилированных стоек 4 обтекателя ступицы 3 вдоль по потоку (фиг.2). Ширина каждой ограничительной плиты 7 не менее высоты канала на выходном сечении сопла 6 (фиг.3), а их длина вдоль потока составляет 0,3-0,8 диаметра рабочего колеса 2 (фиг.2).

Движитель оборудован двумя каналами заднего хода 9, совмещенными своими входными участками 10 с полостью соответствующих поворотных дефлекторов 8 в положении реверса и имеющими в поперечном сечении вытянутую в вертикальном направлении форму, а выходные участки этих каналов 10 ориентированы против направления сопла 5 (фиг.1, 2).

Поворотные дефлекторы 8 выполнены в виде части кругового цилиндра с двумя торцевыми стенками 11, имеющими форму кругового сектора, и размещены между ограничительными плитами 7. Оси вращения 12 дефлекторов 8 вертикальны, совпадают с центром кривизны образующей поверхности 13 дефлектора 8 и расположены по отношению к ограничительным плитам 7 таким образом, что при частичном повороте любого дефлектора 8 его боковая кромка 14 выступает из-за соответствующей ему ограничительной плиты 7 и частично перекрывает проекцию сечения выходного отверстия соответствующего канала сопла 5. При полном повороте дефлектора 8 он полностью перекрывает эту проекцию, при этом внутренняя часть направляющей поверхности дефлектора во всех положениях касается выходной кромки соответствующей ограничительной плиты 7, а их боковые стенки 13 касаются верхней и нижней кромок упомянутой ограничительной плиты 7 (фиг.1, 2, 3).

ВДРК обеспечивает движение судна с разными скоростями на переднем ходу, реверсирование судна и положение "стоп", а также маневрирование судна на всех режимах движения.

Устройство работает следующим образом.

Поток воды, поступающий через водовод 1, ускоряется рабочим колесом 2, и, проходя через щелевое сечение сопла 5, ограниченное внутренней поверхностью сопла и обтекателем ступицы 3 рабочего колеса 2 и профилированных стоек 4, спрямляется и отбрасывается из его выходного сечения 6 в виде двух струй, не имеющих закрутку, примыкая при этом к вертикально расположенным за соплом 5 двум ограничительным плитам 7. Реакция этих струй на переднем ходу создает тягу движителя.

При частичном повороте одного из дефлекторов 8 его боковая кромка 14 выступает из-за соответствующей ему ограничительной плиты 7 и частично перекрывает путь потоку (струе), истекающему из соответствующего канала сопла 5, направляющая поверхность дефлектора отклоняет струю в сторону от ограничительной плиты и благодаря этому создается боковая сила. При малых углах перекладки упомянутого дефлектора 8 возникает боковая сила, достаточная для поддержания прямого курса судна, а при больших углах поворота этого дефлектора 8 боковая сила увеличивается и осуществляется поворот судна в направлении того борта, на котором расположен поворачиваемый дефлектор (фиг.4).

Для реверсирования судна оба дефлектора 8 поворачивают вокруг осей их вращения 12 до совмещения боковых кромок дефлекторов 14 с входным участком 10 каналов заднего хода 9 (фиг.5). В результате чего в положении реверса направляющие поверхности дефлекторов 8, перекрывая исходящие из сопла струи, поворачивают их и направляют в каналы заднего хода 9, чем изменяют направление выброса струй в сторону, противоположную направлению движения судна (фиг.5).

На режиме реверса, при повороте одного из дефлекторов 8 часть соответствующей струи выбрасывается в бок и, тем самым, изменяется направление тяги движителя и обеспечивается маневрирование (разворот) судна на заднем ходу (фиг.6). Причем при одинаковом направлении вращения штурвала траектории разворота судна на заднем и переднем ходу совпадают. В этом случае при движении на заднем ходу судно поворачивается в направлении, противоположном направлению движения на переднем ходу. Таким образом выполняется мнемоническое правило при управлении движением судна.

При неполном повороте дефлекторов 8 имеется такое их положение, при котором работающий движитель не будет создавать тягу, поскольку струи, истекающие из сопла 5, раздваиваются на направления переднего и заднего хода (фиг.7), и суммарная тяга от составляющих реакций будет равна нулю, в результате чего создается "стоповый" режим судна.

Технический эффект предлагаемого ВДРК в части упрощения конструкции и технологии изготовления, а также в части выполнения мнемонического правила при управлении движением судна был подтвержден изготовлением модели ВДРК и проведением ее испытаний в лабораторных условиях.

1. Водометный движительно-рулевой комплекс, содержащий водовод, рабочее колесо с обтекателем ступицы, прикрепленным к водоводу с помощью профилированных стоек, сопло со щелевым выходным сечением и реверсивно-рулевое устройство, имеющее расположенные за срезом сопла ограничительную плиту и поворотный дефлектор, отличающийся тем, что сопло выполнено с двумя каналами, имеющими в выходном сечении щелевую форму в виде сегмента круга, причем стенки каналов образованы частью поверхности водовода, продолженного за рабочим колесом, и стенками двух вертикально расположенных друг над другом профилированных стоек обтекателя ступицы рабочего колеса, средняя линия сечения и форма поверхности каждой из которых изогнута таким образом, что на выходном участке сопла поверхность профилированных стоек перпендикулярна плоскости выходного сечения сопла, а на их входном участке средняя линия стоек наклонена к плоскости поперечного сечения водовода против направления вращения рабочего колеса под углом α<80°, реверсивно-рулевое устройство дополнено поворотным дефлектором и ограничительной плитой, причем обе ограничительные плиты расположены вертикально за срезом сопла и являются продолжением стенок профилированных стоек обтекателя ступицы вдоль по потоку, а поворотные дефлекторы размещены между ограничительными плитами, оси вращения дефлекторов вертикальны, при этом движитель оборудован двумя каналами заднего хода для изменения направления выброса его струй при реверсе, сообщенными своими входными участками с полостью соответствующих поворотных дефлекторов в положении реверса, а выходные участки этих каналов ориентированы преимущественно против внешнего потока.

2. Водометный движительно-рулевой комплекс по п.1, отличающийся тем, что профилированные стойки в своей передней части за рабочим колесом имеют минимальную толщину, а вниз по потоку постепенно расширяются и имеют максимальную толщину в плоскости выходного сечения сопла, при этом обтекатель ступицы рабочего колеса имеет коническую форму, вблизи ступицы рабочего колеса его диаметр равен диаметру ступицы, а в районе выходного сечения сопла диаметр упомянутого обтекателя не меньше толщины профилированных стоек в том же месте.

3. Водометный движительно-рулевой комплекс по п.1, отличающийся тем, что ширина каждой ограничительной плиты не менее высоты канала на выходном сечении сопла, а их длина вдоль потока составляет 0,3-0,8 диаметра рабочего колеса.

4. Водометный движительно-рулевой комплекс по п.1, отличающийся тем, что поворотные дефлекторы выполнены в виде части кругового цилиндра с двумя торцевыми стенками, имеющими форму кругового сектора.

5. Водометный движительно-рулевой комплекс по любому из пп.1 и 4, отличающийся тем, что оси вращения дефлекторов совпадают с центром кривизны поперечных сечений образующей поверхности дефлектора.

6. Водометный движительно-рулевой комплекс по любому из пп.1, 3 и 4, отличающийся тем, что оси вращения дефлекторов расположены по отношению к ограничительным плитам таким образом, что при частичном повороте любого дефлектора его боковая кромка выступает из-за соответствующей ему ограничительной плиты и частично перекрывает проекцию сечения выходного отверстия соответствующего канала сопла, а при полном повороте дефлектора он полностью перекрывает эту проекцию.

7. Водометный движительно-рулевой комплекс по любому из пп.1, 3 и 4, отличающийся тем, что внутренняя сторона направляющей поверхности дефлекторов во всех их положениях касается выходной кромки соответствующей ограничительной плиты, а их боковые стенки касаются верхней и нижней кромок упомянутой ограничительной плиты.

8. Водометный движительно-рулевой комплекс по п.1, отличающийся тем, что каналы заднего хода имеют в поперечном сечении вытянутую в вертикальном направлении форму.