PL238756B1 - Zespół sterowania jednostki śródlądowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół sterowania jednokadłubowej lub wielokadłubowej jednostki przeznaczonej do żeglugi śródlądowej. Jako zespół sterowania rozumie się w tym opisie patentowym zespół urządzeń używanych do zmiany kierunku poruszania się jednostki.

Do zmiany kierunku poruszania się jednostki służy zwykle urządzenie sterowe mechaniczne lub elektrohydrauliczne, które współpracuje z płetwą sterową. Elementem wykonawczym zmiany kierunku ruchu jednostki pływającej jest sama płetwa sterowa. Urządzenie sterowe przetwarza sygnał od sternika do takiej postaci, aby był możliwy obrót płetwy sterowej o wymagany kąt. Powoduje to zmianę kierunku poruszania się wodnej jednostki pływającej. Skuteczność płetwy sterowej w tym zakresie jest jednak zależna od prędkości jednostki. Przy dużej prędkości skuteczność jest zbliżona do projektowanej, jednakże przy niewielkich prędkościach jednostki skuteczność tego rodzaju urządzenia sterowego znacznie maleje. Skuteczność płetwy sterowej staje się zerowa na postoju jednostki pływającej. Płetwa sterowa, jako urządzenie do zmiany kierunku poruszania się jednostki przestaje być w takich warunkach efektywna. Sytuacje niewielkich prędkości poruszania się jednostek są częste w żegludze śródlądowej.

W rozwiązaniu znanym z opisu patentowego zgłoszenia nr US 2012266799 przedstawiono rozwiązanie zwiększenia manewrowości jednostki poprzez zainstalowanie dodatkowego zespołu sterowania w części dziobowej. Zaprojektowano tu wnękę w części dziobowej kadłuba. Wnęka jest w trakcie żeglugi na wprost zamknięta dwoma drzwiami, po prawej i po lewej stronie części podwodnej dziobu. Wymienione drzwi osadzone są na osi obrotu, pokrywającej się z linią stewy dziobowej statku. Oba skrzydła drzwi zamocowane są do ścian wnęki uchylnie za pośrednictwem cylindrów hydraulicznych tak, że prawe i lewe drzwi mogą być niezależnie wychylane. Wychylenie jednego ze skrzydeł opisanych drzwi wspomaga pracę płetwy sterowej przy zmianie kierunku poruszania się jednostki pływającej. Niemniej dla skuteczności działania opisanego zespołu sterowania niezbędne jest, aby jednostka poruszała się do przodu.

Rozwiązaniem pozwalającym uzyskać manewrowość jednostki przy niewielkich prędkościach są pędniki strugowodne, określane także jako wodnoodrzutowe, które instaluje się zarówno w części dziobowej jak i w części rufowej jednostki pływającej.

Znane rozwiązanie pędnika wodnoodrzutowego, jako elementu sterującego pokazano w opisie patentowym nr US 2001/0010987. Pod linią wodnicy w kadłubie jednostki utworzony jest poprzeczny kanał, w którym osadzony jest pędnik wyrzucający strumień wody na prawo lub na lewo od kadłuba, co powoduje zmianę kierunku ruchu jednostki.

W tego rodzaju rozwiązaniach wytwarza się strumień wody wyrzucany pod powierzchnią lustra wody w kierunku przeciwnym do założonego kierunku zmiany kursu jednostki pływającej. Woda jest pobierana przez pompę, a następnie wytłaczana przez dyszę. Strumień wody wyrzucany przez dyszę, nadaje jednostce ruch w przeciwną stronę, bez użycia płetwy sterowej. Do zalet tego rodzaju napędu używanego do sterowania jednostką pływającą należy skuteczne manewrowanie nawet przy zerowej prędkości jednostki, możliwość wykonywania manewrów przez zmianę kierunku wylotu dyszy, możliwość wytworzenia znacznego ciągu. Napęd tego rodzaju może być zabudowany w kadłubie jednostki tak, że brak będzie wystających elementów, podatnych na uszkodzenie. Pędniki tego rodzaju są wykorzystywane do sterowania jednostkami pływającymi, na przykład promami i pozwalają one na ruch jednostki w kierunku prostopadłym do wzdłużnej płaszczyzny symetrii. Skuteczność tego rodzaju rozwiązania zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości jednostki.

Jednakże w wąskich niejednokrotnie kanałach w żegludze śródlądowej a także w portach, mocne strumienie wody wytwarzane przez pędniki wodnoodrzutowe tego rodzaju prowadzić mogą do erozji brzegów rzek i kanałów, ale także do wywoływania ruchów jednostek zacumowanych i, co może być przyczyną ich uszkodzeń. Jest to o tyle istotne, że pędniki tego rodzaju byłyby zwykle wykorzystywane właśnie w portach w procedurach podchodzenia i odchodzenia od nabrzeża. Z tego względu wykorzystanie opisanych pędników na jednostkach żeglugi śródlądowej jest niekorzystne.

W rozwiązaniu według wynalazku wykorzystano znany i znajdujący zastosowanie w żegludze i w innych dziedzinach techniki efekt Magnusa. Pod tym określeniem należy rozumieć zjawisko powstawania siły prostopadłej do kierunku ruchu, działającej na poruszającą się względem płynu bryłę obrotową. Zjawisko to wykorzystano między innymi w budowie statków znanych pod nazwą rotorowce. Statki te wykorzystywały, jako napęd główny lub pomocniczy wirujący walec usytuowany ponad pokładem i wystawiony na działanie wiatru. Statki z napędem tego rodzaju zasadniczo nie wyszły poza stadium prototypowe.

PL 238 756 B1

W kolejnym opisie patentowym nr US 6,516,739 przedstawiono rozwiązanie zespołu napędu i sterowania jednostki pływającej, na przykład holownika. W podwodnej części rufowej znajduje się płetwa mieczowa, w której tylnej krawędzi znajduje się pionowy rotor. Natomiast w części podwodnej dziobowej, pod dnem jednostki znajduje się kosz ochronny, wewnątrz którego znajdują się dwa rotory, stanowiące napęd jednostki. Wszystkie trzy rotory w swoim działaniu wykorzystują opisany wyżej efekt powstawania siły poprzecznej, prostopadłej do kierunku ruchu, działającej na poruszającą się bryłę obrotową. W tym przypadku jest to rotor obrotowy rufowy oraz dwa rotory pod dnem jednostki w strefie dziobowej.

Według innego rozwiązania, znanego z opisu patentowego nr US 1697779, zaproponowano wykorzystanie pionowego rotora dziobowego oraz pionowego rotora rufowego, usytuowanego za śrubą napędową jednostki. Oba rotory napędzane są własnymi silnikami napędowymi, a ich ruch obrotowy sterowany jest ze sterówki jednostki pływającej.

W rozwiązaniu znanym z dokumentu patentowego DE 2434842, urządzenie do sterowania statkiem stanowi obracający się korpus. Obracający się korpus znajduje się na dziobie i stanowi jedyne urządzenie sterujące kursem statku oraz ma kształt zbliżony do kuli lub gruszki lub ich części i generuje siłę poprzeczną w czasie ruchu obrotowego. Uwolniony z osprzętu do sterowania kadłub statku w części rufowej może być zaprojektowany bez efektów wibracji od tego osprzętu, dla uzyskania optymalnej sprawności śruby napędowej.

Wykorzystanie pionowego rotora, zwłaszcza w części dziobowej jednostki, ale także pod dnem jednostki pływającej wiąże się z ryzykiem uszkodzenia. Ryzyko takie występuje szczególnie w warunkach eksploatacji jednostek pływających w żegludze śródlądowej. Jednakże to w żegludze śródlądowej rotory sterujące tego rodzaju zwiększają manewrowość jednostki, a jednocześnie stopień ich inwazyjności na nabrzeża kanałów, rzek i portów śródlądowych jest znacznie mniejszy niż pędników wodnoodrzutowych proponowanych dla tego celu w rozwiązaniach znanych ze stanu techniki. Zadaniem wynalazku jest opracowanie układu sterowania jednostek śródlądowych z wykorzystaniem rotorów w części dziobowej z jednoczesnym zabezpieczeniem ich przed uszkodzeniem w trakcie manewrowania.

Według wynalazku, zespół sterowania jednostki śródlądowej zawiera w części rufowej, każdego z kadłubów jednostki wychylną płetwę sterową z elektrohydraulicznym mechanizmem napędowym tej płetwy sterowanym ze sterówki jednostki. Zespół sterowania zawiera w części dziobowej każdego z kadłubów tej jednostki rotor obrotowy z zewnętrzną płaszczyzną cylindryczną, gdzie rotor obrotowy osadzony jest na osi obrotu w łożysku górnym oraz w łożysku dolnym i połączony jest poprzez przekładnię z mechanizmem napędowym tego rotora obrotowego w postaci silnika. Mechanizm napędu rotora sterowany jest ze sterówki jednostki. Rotor obrotowy osadzony jest w gnieździe uformowanym w części dziobowej kadłuba jednostki pływającej, gdzie w wymienionym gnieździe znajduje się co najmniej jedna czwarta obwodu obrotowego rotora zaś pozostała część obwodu rotora znajduje się poza tym gniazdem.

Według wynalazku, zespół sterowania jednostki śródlądowej charakteryzuje się tym, że przed rotorem obrotowym, do dziobu zamocowana jest na górnym ramieniu ponad rotorem i na dolnym ramieniu pod rotorem, osłona dziobowa w postaci płyty, zaś krawędź wewnętrzna przedniej osłony dziobowej jest równoległa do powierzchni cylindrycznej rotora. Pomiędzy krawędzią wewnętrzną i krawędzią zewnętrzną osłony dziobowej znajduje się powierzchnia osłony, która znajduje się w płaszczyźnie zgodnej z pionową płaszczyzną symetrii kadłuba jednostki pływającej.

W zespole sterowania jednostki pływającej śródlądowej zaproponowano uzupełnienie działania płetwy sterowej poprzez wyposażenie dziobu jednostki w zasadniczo pionowy rotor, w postaci obracającego się walca o powierzchni cylindrycznej. Rotor zanurzony jest poniżej linii wodnicy pływania. Zgodnie z wynalazkiem rotor obrotowy osadzony jest w gnieździe uformowanym w części dziobowej kadłuba jednostki pływającej, przy czym przed rotorem obrotowym, do dziobu zamocowana jest na górnym ramieniu ponad rotorem i na dolnym ramieniu pod rotorem, przednia osłona. W przypadku jednostki wielokadłubowej może to dotyczyć każdego z kadłubów takiej jednostki, na przykład katamaranu.

Zaproponowano osadzenie części obwodu rotora w gnieździe uformowanym w części dziobowej kadłuba, co spowodowało, że ta część rotora, ukryta w gnieździe nie jest narażona na uszkodzenia, które mogą wystąpić w wyniku żeglugi i manewrów, szczególnie na wodach śródlądowych, ale także pozwala to na znacznie bardziej stabilne zamocowanie osi obrotu rotora w łożysku górnym i w łożysku dolnym, w porównaniu do znanych rozwiązań, gdzie rotor mocowany był na wysięgniku dolnym i na wysięgniku górnym. W rozwiązaniu według wynalazku zaproponowano także wyprowadzenie przedniej osłony przed rotor. Pod pojęciem przedniej osłony dziobowej należy tu rozumieć na przykład kształtownik w linii symetrii kadłuba jednostki pływającej, obejmujący i chroniący rotor przed uszkodzeniem od

PL 238 756 Β1 przodu. W rozwiązaniu według wynalazku osłona ma postać płyty, której płaszczyzna jest zgodna z wzdłużną płaszczyzną symetrii kadłuba jednostki i wymieniona płyta współdziała z rotorem. Korzystnym skutkiem zastosowania rotora dziobowego według wynalazku jest możliwość odstąpienia od zastosowania pędników strumieniowych, wpływających niekorzystnie na spoistość brzegów kanałów i rzek, jak również generujących gwałtowny ruch mas wodnych, wpływających niekorzystnie na cumujące w portach śródlądowych stosunkowo niewielkie jednostki pływające. Poniżej, na wykresie nr 1, zestawiono wyniki przeprowadzonych badań porównawczych skuteczności działania pędników strumieniowych oraz rotora hydrodynamicznego według wynalazku w zakresie żeglugi śródlądowej.

Wykres nr 1

Jak wynika z przedstawionych danych, ster strumieniowy traci swoją efektywność wraz ze wzrostem prędkości jednostki pływającej. Natomiast rotor hydrodynamiczny według wynalazku, już przy niewielkim wzroście prędkości jednostki zyskuje porównywalną efektywność, która znacznie przekracza efektywność steru strumieniowego już powyżej prędkości 2,5-3 węzłów.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania na załączonym rysunku, na którym poszczególne figury rysunku ilustrują:

Fig. 1 - przekrój rotora dziobowego płaszczyzną zgodną z linią wodnicy.

Fig. 2 - widok rotora dziobowego według fig. 1.

Fig. 3 - widok rotorów na dziobach pływaków katamaranu.

Fig. 4 - schemat opływu wody wokół rotorów katamaranu.

Fig. 5 - schemat montażu rotora na dziobie jednostki w gnieździe zabudowanym.

Fig. 6 - schemat współdziałania płetw sterowych i rotorów pływaków katamaranu.

Fig. 7 - pole prędkości przepływu wokół rotorów katamaranu.

Zespół sterowania jednostki śródlądowej zawiera w części rufowej kadłuba 1 jednostki wychylną płetwę sterową 2 ze znanym elektrohydraulicznym mechanizmem napędowym tej płetwy 2 sterowanym ze sterówki jednostki. Zespół sterowania zawiera w części dziobowej kadłuba 1 rotor obrotowy 3 z zewnętrzną płaszczyzną cylindryczną. Rotor obrotowy 3 osadzony jest na osi obrotu w łożysku górnym 4 oraz w łożysku dolnym 5 i połączony jest poprzez przekładnię 6 z mechanizmem napędowym 7 w postaci silnika. Mechanizm napędu rotora sterowany jest w znany sposób ze sterówki jednostki.

Rotor obrotowy 3 osadzony jest w gnieździe 8 uformowanym w części dziobowej kadłuba 1 jednostki pływającej. Na rysunkach fig. 1, fig. 2 oraz fig. 5 pokazano przykład wykonania pojedynczego kadłuba 1 jednostki pływającej. Natomiast na pozostałych rysunkach fig. 3 fig. 4, fig. 6 oraz fig. 7 pokazano w innym przykładzie wykonania dwa kadłuby 1 jednostki śródlądowej w postaci katamaranu. W tych przykładach wykonania, rotor obrotowy 3 osadzony jest częściowo w zasadniczo pionowym gnieździe 8 i w tym gnieździe 8 znajduje się jedna trzecia obwodu cylindrycznego rotora 3. Oznacza to, że w tych przykładach wykonania, co najmniej dwie trzecie obwodu cylindrycznego płaszcza rotora obrotowego 3 jest w bezpośrednim kontakcie ze środowiskiem wodnym opływającym kadłub 1 jednostki. Osadzony w opisany sposób na osi 15 w gnieździe 8 obrotowy rotor 3 ma swobodę obrotu, a jednocześnie w dużym obszarze jest chroniony przed uszkodzeniem mechanicznym w czasie żeglugi i w czasie

PL 238 756 B1 cumowania. Na rysunku fig. 2 pokazano w innym przykładzie wykonania, że rotor 3 schowany jest w gnieździe 8 kadłuba 1 na połowie obwodu cylindrycznego płaszcza tego rotora 3.

W obu tych przykładach wykonania w części dziobowej kadłuba 1, przed rotorem obrotowym 3, do dziobu zamocowana jest na górnym ramieniu 9 ponad rotorem 3 i na dolnym ramieniu 10 pod rotorem 3, osłona dziobowa 11. Pod pojęciem osłona dziobowa 11 rozumie się w tym przykładzie wykonania element zasadniczo równoległy do stewy dziobowej, jednakże wysunięty do przodu i zamocowany do części dziobowej kadłuba 1, mający za zadanie ochronę obrotowego rotora 3.

Jak pokazano szczególnie wyraźnie na rysunku fig. 2, w tym przykładzie wykonania krawędź wewnętrzna 12 osłony dziobowej 11 jest równoległa do powierzchni cylindrycznej rotora 3 lecz do niej nie przylega. W tym przykładzie wykonania, pomiędzy krawędzią wewnętrzną 12 i krawędzią zewnętrzną 13 osłony 11, osłona zawiera powierzchnię płaską 14.

W tym przykładzie wykonania powierzchnia 14 znajduje się w płaszczyźnie zgodnej z pionową płaszczyzną symetrii kadłuba 1 jednostki pływającej. Pokazano to na rysunku fig. 2.

Na rysunku fig. 7 pokazano przykładowe pole prędkości przepływu wody wokół rotorów 3 zamontowanych w kadłubach 1 katamaranu. Uwidoczniono tu, wzrost prędkości przepływu po jednej stronie kadłuba 1. Zjawisko to powoduje powstanie wektora siły skierowanego w stronę przeciwną do kierunku obrotów rotora 3. Siła ta wspomaga działanie płetw sterowych 2, co pokazano przykładowo na rysunku fig. 6 na schematycznie zilustrowanych kadłubach 1 pływaków katamaranu.

Wykaz oznaczeń na rysunku

Kadłub

Płetwa sterowa

Rotor obrotowy

Łożysko górne.

Łożysko dolne

Przekładnia

Mechanizm napędu rotora

Gniazdo kadłuba

Górne ramię

Dolne ramię

Osłona dziobowa

Krawędź wewnętrzna

Krawędź zewnętrzna

Powierzchnia osłony

Oś obrotu rotora

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Zespół sterowania jednostki śródlądowej, gdzie w części rufowej co najmniej jednego kadłuba jednostki znajduje się wychylna płetwa sterowa z elektrohydraulicznym mechanizmem napędowym tej płetwy sterowanym ze sterówki jednostki oraz to zawierający w części dziobowej kadłuba rotor obrotowy z zewnętrzną płaszczyzną cylindryczną, gdzie rotor obrotowy osadzony jest na osi obrotu w łożysku górnym oraz w łożysku dolnym i połączony jest poprzez przekładnię z mechanizmem napędowym tego rotora obrotowego, gdzie mechanizm napędu rotora sterowany jest ze sterówki jednostki, przy czym rotor obrotowy osadzony jest w gnieździe uformowanym w części dziobowej kadłuba jednostki pływającej, gdzie w wymienionym gnieździe znajduje się co najmniej jedna czwarta obwodu obrotowego rotora zaś pozostała część obwodu rotora znajduje się poza tym gniazdem, znamienny tym, że przed rotorem obrotowym (3), do dziobu zamocowana jest na górnym ramieniu (9) ponad rotorem (3) i na dolnym ramieniu (10) pod rotorem (3), osłona dziobowa (11) w postaci płyty, zaś krawędź wewnętrzna (12) przedniej osłony dziobowej (11) jest równoległa do powierzchni cylindrycznej rotora (3), a pomiędzy krawędzią wewnętrzną (12) i krawędzią zewnętrzną (13) osłony dziobowej (11) znajduje się powierzchnia osłony (14), która znajduje się w płaszczyźnie zgodnej z pionową płaszczyzną symetrii kadłuba (1) jednostki pływającej.