RU2117602C1

RU2117602C1 - Ship with partially submerged screw propulsor

Info

Publication number: RU2117602C1
Application number: RU96114837A
Authority: RU
Inventors: В.М. Завьялов; Е.П. Георгиевская; М.А. Мавлюдов; В.М. Пашин; А.В. Пономарев; Ю.М. Садовников
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт им.акад.А.Н.Крылова
Priority date: 1996-07-23
Filing date: 1996-07-23
Publication date: 1998-08-20

Abstract

FIELD: shipbuilding; operation of ships in clean waters and in polluted waters. SUBSTANCE: propulsor includes two screws located symmetrically relative to CL after intersection f stern break and bottom of ship formed in area of waterline (below its level) as angular shoulder with sharp edge. Projections of lower generatrix of screw hub and line of intersection of stern break with ship's bottom on plane of midship section are aligned. Axis of rotation of screw forms angle with CL which is equal to pitch of blade winding at half its height reduced by 5 to 10 deg. Heights of blades in each cross section of screws are limited by magnitude equal to 0.75 diameter of hub. Outer edges of blades are pointed. Fairing fitted before starting shears of screws is symmetrical relative to CL. Telescopic devices, for example transom boards with interceptors are mounted on ship's hull before screws. Extremities of screws are brought together till direct connection with flanges of output shafts of single transfer reducer placed in fairing. EFFECT: improved propulsive characteristics. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области судостроения и касается создания судов с движителями, обеспечивающими их эксплуатацию как на чистой воде, так и в засоренных акваториях (плавающий битый лед, водоросли, заболоченности и пр.). The invention relates to the field of shipbuilding and relates to the creation of ships with propulsors, ensuring their operation both in clean water and in clogged waters (floating beaten ice, algae, swamps, etc.).

Известен ряд попыток использования на судах в качестве движителей частично погруженных шнеков (винтов Архимеда), представляющих собой по меньшей мере одну спиральную лопасть, навитую на ступицу, тело вращения большего удлинения. В книге Луначарского И.А. и Яновского А.А. От весла до водомета. Л.: Судостроение, 1964 упоминаются гребные винты спирального типа (М. Берри, 1840), фактически - шнековые, которые устанавливаются в рецессе на носовой оконечности судна сдвоенными симметрично относительно его диаметральной плоскости (ДП) с заглублением - до осей вращения, направленных практически по ходу судна. Так же упомянуто гребное колесо винтового типа (30-е годы XX в. ), также шнековое, которое формируется из нескольких секций с сохранением непрерывности спиральных лопастей и размещается за кормой судна перпендикулярно к ДП от борта до борта. A number of attempts have been made to use partially immersed augers (Archimedes screws), which are at least one spiral blade wound on a hub and a body of rotation of greater elongation, as propellers on ships. In the book of Lunacharsky I.A. and Yanovsky A.A. From the oar to the water cannon. L .: Shipbuilding, 1964, spiral type propellers are mentioned (M. Berry, 1840), in fact - screw screws, which are installed in a recess at the bow of the vessel, symmetrically doubled symmetrically relative to its diametrical plane (DP), to the rotation axes directed almost along the course of the vessel. Also mentioned is a screw-type propeller wheel (30s of the XX century), also a screw one, which is formed of several sections while maintaining the continuity of the spiral blades and is located behind the stern of the vessel perpendicular to the DP from side to side.

Известен движитель (патент Великобритании N 1349512, кл. B 63 H 1/12, 1974), в котором гипертрофированные веретенообразные ступицы двух симметричных (противоположно вращающихся) и параллельных относительно ДП шнеков играют роль своеобразных скегов катамарана, способного оперировать насильно заболоченной акваторией (вплоть до амфибийности). Known mover (UK patent N 1349512, class B 63 H 1/12, 1974), in which hypertrophied spindle-shaped hubs of two symmetrical (oppositely rotating) and parallel with respect to the DP screws play the role of a kind of catamaran skegs capable of operating with a forcefully swamped water area (up to amphibian).

Для представленных устройств характерны чрезмерно большие в сравнении с современным техническим уровнем энергетические потери при движении на чистой воде из-за далеко не оптимальной геометрии шнеков и их расположения относительно набегающего потока и корпуса судна. The presented devices are characterized by energy losses that are excessively large compared to the modern technical level when moving on clean water due to the far from optimal geometry of the screws and their location relative to the incoming flow and the hull of the vessel.

Известно также судно с устройством для разрушения льда (заявка N 61-47756, кл. B 63 B 35/08, Япония, публикация 86.10.21, N 2 - 1194, заявитель Эксон продакшн Рисерч Компани, приоритет США 77.12.19, 86.17.37), принятое в качестве прототипа. Носовая оконечность этого судна в районе ватерлинии оборудована побортно двумя симметричными относительно ДП шнеками, стреловидно расположенными в горизонтальной плоскости, со спиральными лопастями, высота которых возрастает по длине шнеков, начиная с нулевой на заходных сечениях. Помимо движения во льдах такое судно может перемещаться с помощью шнеков и по чистой воде, но значительно уступая при этом в экономичности (построечной и эксплуатационной) судам, специально предназначенным для чистых акваторий. Причины - те же, что и у приведенных выше аналогов. В частности, хотя данное устройство имеет стреловидное расположение шнеков в плане, однако, каждый шнек из-за непосредственного влияния носовой оконечности судна оказывается работающим в потоке, практически параллельном оси его вращения. В результате, при прочих равных условиях потери на трение, пропорциональные осевой протяженности движителя, будут у шнеков в несколько раз больше, чем, например, у гребных винтов обычной конфигурации, с различными лопастями. A vessel with an ice breaking device is also known (application N 61-47756, class B 63 B 35/08, Japan, publication 86.10.21, N 2 - 1194, applicant Exxon Production Research Company, US priority 77.12.19, 86.17. 37), adopted as a prototype. The nasal tip of this vessel in the waterline area is equipped with outboard two screws, symmetrical with respect to the DP, arrow-shaped in the horizontal plane, with spiral blades, the height of which increases along the length of the screws, starting from zero at the entry sections. In addition to movement in ice, such a vessel can be moved with the help of screws and through clean water, but at the same time significantly inferior in terms of economy (construction and operational) to ships specially designed for clean waters. The reasons are the same as those of the above analogues. In particular, although this device has a swept arrangement of screws in the plan, however, each screw due to the direct influence of the bow of the vessel is working in a stream almost parallel to its axis of rotation. As a result, ceteris paribus, friction losses proportional to the axial length of the propulsion unit will be several times larger for screws than, for example, propellers of a conventional configuration with different blades.

Кроме того, неизбежны большие потери при взаимодействии с корпусом судна реактивной струи движителя вследствие его носового расположения. In addition, large losses are inevitable when interacting with the hull of a jet propulsion jet due to its bow arrangement.

Предлагаемое изобретение направлено на радикальное улучшение пропульсивных характеристик (характеристик ходкости на чистой воде) судов с частично погруженными шнековыми движителями и обеспечение на этой основе эффективности их использования на маршрутах (трассах) с переменными условиями засоренности. The present invention is aimed at a radical improvement of propulsive characteristics (propulsion characteristics in clean water) of ships with partially immersed screw propellers and ensuring, on this basis, the effectiveness of their use on routes (routes) with variable clogging conditions.

Для этого у судна с движителем, выполненным в виде двух симметричных относительно ДП частично погруженных шнеков с непараллельными осями вращения, каждый из которых включает по меньшей мере одну спиральную лопасть, навитую на ступице, связанной с приводом, например, через редуктор, каждый шнек расположен непосредственно за местом пересечения кормового среза и днища судна, сформированным в районе ватерлинии ниже ее уровня в виде углового уступа с острой кромкой, при этом конфигурация образующей каждого шнека, его расположение относительно корпуса судна, а также конфигурация пересечения кормового среза с днищем судна выполнены такими, что проекции нижней образующей ступицы шнека и линии пересечения кормового среза с днищем судна на плоскость миделевого сечения совмещены, а ось вращения шнека составляет с ДП угол, равный шаговому углу навивки лопасти на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o, причем высоты лопастей шнеков в каждом поперечном сечении ограничены величиной, равной 0,75 диаметра ступицы, наружные кромки лопастей заострены, а перед заходными срезами шнеков установлен обтекатель. При этом перед шнеками на корпусе судна установлены выдвижные устройства, например, поворотные транцевые плиты и регулируемые интерцепторы с приводами, причем направленные навстречу друг другу оконечности шнеков сближены до непосредственного соединения с фланцами выходных валов единого раздаточного редуктора, помещенного в обтекатель, симметричный относительно ДП и установленный на корпусе судна.For this purpose, in a vessel with a propulsion unit made in the form of two partially immersed augers with non-parallel rotation axes symmetrical with respect to DP, each of which includes at least one spiral blade wound on a hub connected to the drive, for example, via a gearbox, each auger is located directly beyond the intersection of the aft section and the bottom of the vessel, formed in the area of the waterline below its level in the form of an angled ledge with a sharp edge, with the configuration of the generatrix of each screw, its location relative about the hull of the vessel, as well as the configuration of the intersection of the aft section with the bottom of the vessel is made such that the projections of the lower generatrix of the hub of the auger and the lines of intersection of the aft section of the bottom of the vessel on the plane of the mid section are aligned, and the axis of rotation of the auger makes an angle equal to the pitch angle of the blade winding with the DP at half its height, reduced by 5 - 10 ^o, wherein the height of the screw blades in each cross section bounded by the hub diameter equal to 0.75, the outer sharpened edges of the blades, and before the slices with lead screw at tanovlen fairing. In this case, retractable devices, for example, rotary transom plates and adjustable spoilers with drives, are installed in front of the screws on the ship’s hull, and the ends of the screws directed towards each other are brought together until they are directly connected to the flanges of the output shafts of a single transfer gear placed in a fairing symmetrical with respect to the PD and installed on the hull.

Размещение каждого шнека непосредственно за местом пересечения кормового среза и днища судна, сформированным в районе ватерлинии ниже ее уровня в виде углового уступа с острой кромкой, обеспечивает, начиная с очень малых скоростей хода судна, работу шнека в набегающим из-под днища судна потоке с фиксированной линией срыва и стабильной свободной поверхностью, незначительно меняющей свою конфигурацию при различных эксплуатационных режимах (скорости хода, посадка судна, волнение, качка и пр.). Это необходимо для сохранения, без дополнительных регулировок, заглублений шнека, близких к оптимальным, практически во всем диапазоне эксплуатационных условий. Placing each auger directly behind the intersection of the aft section and the bottom of the vessel, formed in the waterline area below its level in the form of an angled ledge with a sharp edge, ensures, starting from very low vessel speeds, the auger operates in a flow with a fixed flow from under the bottom of the vessel line breakdown and stable free surface, slightly changing its configuration under various operating conditions (speed, landing, excitement, pitching, etc.). This is necessary to maintain, without additional adjustments, the depths of the screw, close to optimal, in almost the entire range of operating conditions.

Совмещение в плоскости миделя проекции нижней образующей ступицы шнека и линии (кромки) пересечения кормы и днища судна задает оптимальное заглубление шнека в набегающий поток. The combination in the plane of the midsection of the projection of the lower generatrix of the auger hub and the line (edge) of the intersection of the stern and the bottom of the vessel sets the optimum penetration of the auger into the incoming flow.

Размещение оси вращения шнека под углом к ДП, равным шаговому углу навивки лопасти на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o, соответствует расположению погруженных участков лопасти с учетом их конфигурации в среднем поперек набегающего потока, то есть минимизации в нем поперечных вызванных скоростей.The placement of the axis of rotation of the screw at an angle to the DP equal to the step angle of winding the blade at half its height, reduced by 5 - 10 ^o , corresponds to the location of the immersed sections of the blade taking into account their average configuration across the incoming flow, that is, minimizing transverse evoked speeds in it.

Ограничение высоты лопасти величиной, равной 0,75 диаметра ступицы, связано с предельным уровнем допустимых гидродинамических потерь из-за радиальной неравномерности шаговых углов до 30% идеального КПД. The limitation of the blade height to a value equal to 0.75 of the diameter of the hub is associated with the maximum level of permissible hydrodynamic losses due to radial non-uniformity of step angles up to 30% of ideal efficiency.

Заострение наружных кромок лопастей существенно улучшает в гидродинамическом отношении форму горизонтальных сечений погруженных участков лопастей. The sharpening of the outer edges of the blades significantly improves hydrodynamically the shape of the horizontal sections of the submerged sections of the blades.

Установка обтекателей на заходных сечениях шнеков позволяет до двух раз увеличить площадь рабочего (погруженного) сечения шнека в сравнении с прототипом, так как при ненулевых гидродинамически оптимальных высотах лопастей обеспечивает защиту этих сечений от засорения. The installation of fairings on the inlet sections of the screws allows up to two times to increase the area of the working (submerged) section of the screw in comparison with the prototype, since with non-zero hydrodynamically optimal heights of the blades it protects these sections from clogging.

Применение стационарных и регулируемых транцевых плит, интерцепторов и пр. дает возможность повысить технологичность непосредственно корпусных конструкций и, одновременно, точность оптимизации условий работы шнека при различных режимах эксплуатации. The use of stationary and adjustable transom plates, interceptors, etc. makes it possible to increase the manufacturability of directly hull structures and, at the same time, the accuracy of optimizing the working conditions of the auger under various operating conditions.

Компоновка направленных навстречу друг другу оконечностей шнеков и раздаточного редуктора в едином, симметричном относительно ДП обтекателе на корпусе судна исключительно контактна и особенно удобна в случае привода от одного двигателя. The arrangement of the extremities of the augers and the transfer gear directed towards each other in a single fairing on the ship’s hull symmetrical with respect to the DP is extremely contact and is especially convenient in the case of a drive from one engine.

На фиг. 1 представлен вид на днище кормовой оконечности судна с частично погруженным шнековым движителем; на фиг. 2 - сечение, перпендикулярное оси вращения одного из шнеков. In FIG. 1 shows a view of the bottom of the aft end of a vessel with a partially immersed screw propulsion; in FIG. 2 is a section perpendicular to the axis of rotation of one of the screws.

Здесь за местом пересечения кормового среза 1 днища судна 2, сформированного в районе ватерлинии WL ниже ее уровня 3 в виде углового уступа с острой кромкой 4 установлены транцевые плиты 5, 6 с регулировочными приводами 7 и шнеки, состоящие из ступиц 8 и спиральных лопастей 9. Here, behind the intersection of the aft section 1 of the bottom of the vessel 2, formed in the area of the waterline WL below its level 3 in the form of an angled ledge with a sharp edge 4, transom plates 5, 6 with adjusting drives 7 and screws, consisting of hubs 8 and spiral blades 9, are installed.

Нижние образующие 10 ступиц 8 совмещены (фиг. 2) в проекции на мидель с кромкой 4, а ось вращения каждого шнека 11 составляет с ДП судна угол φ , равный шаговому углу навивки лопасти 9 на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o. Перед заходными срезами шнеков установлены обтекатели 12, которые включаются в единый, симметричный относительно ДП обтекатель на корпусе судна 2, в случае, когда передние участки шнеков сближены до непосредственного соединения с фланцами выходных валов единого раздаточного редуктора, также помещенного в обтекателе 12.The lower generatrices 10 of the hub 8 are aligned (Fig. 2) in the projection onto the midsection with the edge 4, and the axis of rotation of each screw 11 makes the angle φ equal to the step angle of winding of the blade 9 at half its height, reduced by 5 - 10 ^o from the ship's DP. Fairings 12 are installed in front of the inlet sections of the screws, which are included in a single fairing symmetrical with respect to the DP on the ship's hull 2, in the case when the front sections of the screws are brought together before direct connection with the output flanges of a single transfer gearbox, also located in the fairing 12.

При движении судна участки лопастей шнеков под ступицами погружены в поток, выходящий из-под углового уступа, образованного пересечением кормового среза судна и его днища. Вследствие вращения погруженные участки шнеков совершают поступательное движение вдоль осей, чем обеспечивается захват и ускорение жидкости и создание тяги движителя. Ориентировка погруженных участков в среднем перпендикулярно потоку обусловливает при ее движении минимальные гидродинамические потери вследствие отсутствия поперечных вызванных скоростей. В связи с этим КПД движителя оказывается максимально возможным при заданной нагрузке. When the vessel moves, sections of the auger blades under the hubs are immersed in a stream coming out from under an angled ledge formed by the intersection of the stern section of the vessel and its bottom. Due to rotation, the submerged sections of the screws translate along the axes, which ensures the capture and acceleration of the fluid and the creation of traction propulsion. The orientation of the submerged sections on the average perpendicular to the flow during its movement causes minimal hydrodynamic losses due to the absence of transverse evoked speeds. In this regard, the propulsion efficiency is maximally possible at a given load.

Погруженные части лопастей шнеков имеют плавные обводы и совершают поступательное движение вдоль оси, поэтому находящиеся в воде предметы (битый лед, водоросли и пр.) свободно проходят через гидравлическое сечение работающего движителя, не оказывая влияния на его работоспособность. The submerged parts of the auger blades have smooth contours and translate along the axis, therefore objects in water (broken ice, algae, etc.) freely pass through the hydraulic section of the working propulsion, without affecting its performance.

Claims

1. Судно с движителем, выполненным в виде двух симметричных относительно диаметральной плоскости судна частично погруженных шнеков с непараллельными осями вращения, каждый из которых включает по меньшей мере одну спиральную лопасть, навитую на ступице, связанной с приводом, например, через редуктор, отличающееся тем, что каждый шнек установлен непосредственно за местом пересечения кормового среза и днища судна, сформированным в районе ватерлинии ниже ее уровня в виде углового уступа с острой кромкой, при этом конфигурация образующей ступицы каждого шнека и его расположение относительно корпуса судна, а также конфигурация пересечения кормового среза с днищем судна выполнены такими, что проекции нижней образующей ступицы шнека и линии пересечения кормового среза с днищем судна на плоскость миделевого сечения совмещены, а ось вращения шнека составляет с диаметральной плоскостью угол, равный шаговому углу навивки лопасти на половине ее высоты, уменьшенному на 5 - 10^o, причем высоты лопастей в каждом из поперечных сечений шнеков ограничены величиной, равной 0,75 диаметра ступицы, наружные кромки лопастей заострены, а перед заходными срезами шнеков установлен обтекатель, симметричный относительно диаметральной плоскости.1. A vessel with a propulsion device made in the form of two partially immersed augers with non-parallel rotation axes symmetrical with respect to the vessel’s diametrical plane, each of which includes at least one spiral blade wound on a hub connected to the drive, for example, through a gearbox, characterized in that each auger is installed directly behind the intersection of the aft section and the bottom of the vessel, formed in the area of the waterline below its level in the form of an angled ledge with a sharp edge, while the configuration of the generatrix the pizza of each auger and its location relative to the hull of the vessel, as well as the configuration of the intersection of the aft section with the bottom of the vessel are such that the projections of the lower generatrix of the hub of the auger and the line of intersection of the aft section of the bottom of the vessel on the mid-section plane are aligned, and the axis of rotation of the auger is with the diametrical plane an angle equal to the step angle of winding the blade at half its height, reduced by 5 - 10 ^o , and the height of the blades in each of the cross sections of the screws is limited to a value equal to 0.75 diameter of stupas eggs, the outer edges of the blades are pointed, and a fairing is installed in front of the inlet sections of the screws, symmetrical with respect to the diametrical plane.

2. Судно по п.1, отличающееся тем, что перед шнеками на корпусе судна установлены выдвижные устройства, например поворотные транцевые плиты с интерцепторами, оборудованные регулировочными приводами. 2. The ship according to claim 1, characterized in that in front of the screws on the hull of the vessel are installed retractable devices, for example rotary transom plates with spoilers equipped with adjusting drives.

3. Судно по п.1, отличающееся тем, что направленные навстречу друг другу оконечности шнеков сближены до непосредственного соединения с фланцами выходных валов единого редуктора, помещенных в обтекатель. 3. The vessel according to claim 1, characterized in that the extremities of the screws directed towards each other are brought together to directly connect to the flanges of the output shafts of a single gearbox placed in the fairing.