Комбинированный электродвигатель - гребной винт

 

Использование: судостроение, а именно для обеспечения малошумного режима хода судов. Сущность изобретения: в электродвигателе винте, содержащем вал, размещенный в обтекателе, установленном в насадке с помощью направляющих лопаток, лопасти гребного винта, охваченные бандажом с размещенными в нем элементами ротора электродвигателя, статор электродвигателя с сердечниками с обмотками, направляющие лопатки виброизолированы от корпуса проточного канала, заподлицо с обтекаемыми поверхностями электродвигателя винта размещены магниты, преимущественно постоянные, удерживающие на этих поверхностях слой магнитной жидкости, а в обтекателе вала и в корпусе проточного канала размещены резервуары с каналами для подпитки слоя магнитной жидкости. По сравнению с прототипом предложенное устройство обеспечивает уменьшение шума и вибраций до 5 10 дБ гидродинамического сопротивления в 1,5 2 раза. 1 ил.

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано при создании движителей судов с улучшенными акустическими характеристиками.

Известны движители судов, которые создаются с целью снижения шума и вибраций, возникающих при их работе. Такие движители применяются на комфортабельных круизных судах и боевых кораблях, где вопросам снижения вибраций и шума уделяется первостепенное внимание.

Уменьшение шума и вибраций при работе движителей достигается за счет снижения скоростей вращения гребных винтов и оптимизации формы и числа лопастей, а также путем выравнивания набегающего потока. Однако зачастую эффективность уменьшения шума и вибраций оказывается недостаточной.

Известна конструкция судового движителя, выполненного в виде комбинированного электродвигателя гребного винта. Этот движитель является наиболее близким по техническим признакам к заявляемому устройству, т.е. прототипом изобретения.

Он содержит вал гребного винта, размещенный в обтекателе, установленном в насадке корпусе проточного канала с помощью направляющих и спрямляющих поток лопаток, лопасти гребного винта, охваченные бандажом с размещенными в нем элементами ротора электродвигателя, элементы статора электродвигателя, включающие размещенные в корпусе проточного канала (насадка) сердечники с обмотками и подвод электропитания к обмоткам.

Бандаж винта в прототипе углублен в кольцеобразную нишу, имеющуюся в корпусе проточного канала. Вал вместе с гребным винтом вращается на подшипниках, размещенных внутри обтекателя вала. Опорами обтекателя являются направляющие и спрямляющие лопатки, размещенные выше и ниже винта по потоку. Элементы ротора, использованного в прототипе, синхронного электродвигателя включают постоянные магниты, сердечник и защитные пластины, закрывающие постоянные магниты от воздействия с обмотками, защитные цилиндры из синтетического материала и систему заполнения маслом полостей в теле насадки. Питание обмоток статора осуществляется через импульсный тиристорный инвертор, регулирование частоты вращения винта осуществляется изменением напряжения и частоты на выходе инвертора.

Отсутствие в прототипе таких элементов, как редукторы и передаточные валы, осуществляющих передачу вращения от электродвигателя к винту, возможность обеспечения заданного вращающего момента на низких скоростях вращения за счет достаточно больших диаметров ротора и статора, а также наличие насадки, выполняющей роль проточного канала, формирующего вместе с направляющими лопатками поток в диске гребного винта, позволяют создать на основе такого электродвигателя винта сравнительно малошумный двигатель-движитель.

Однако из-за значительного гидродинамического сопротивления (вязкого трения) и неравномерности потока, возникающих на участке протекания жидкости в зазоре между бандажом с ротором электродвигателя и стенками проточного канала (насадки), в корпусе которого размещен статор электродвигателя, в прототипе велики гидродинамические потери. В результате вихреобразования в районе кольцевой ниши, имеющейся в проточном канале, возрастают неоднородности потока в диске гребного винта, что существенно ограничивает пределы снижения шумности электродвигателя винта. Кроме того, при взаимодействии набегающего потока с лопастями гребного винта, обтекателем вала и опорами могут возникнуть вихревые течения и значительные вибрации указанных частей движителя. Вибрационные усилия, обусловленные обтеканием, а также погрешностями изготовления деталей модуля (например, овальность вала) передаются через опоры (лопатки) на корпус проточного канала (насадку), что также сопровождается увеличением вибраций и шумности комбинированного двигателя-движителя.

Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в снижении шума, вибрации и гидродинамического сопротивления устройства электродвигатель-винт.

Для этого в известном устройстве, выполненном в виде комбинированного электродвигателя-гребного винта, содержащем вал гребного винта, размещенный в обтекателе, установленном в насадке-корпусе проточного канала с помощью направляющих и спрямляющих поток лопаток, лопасти гребного винта, охваченные бандажом с размещенными в нем элементами ротора электродвигателя, элементы статора электродвигателя, включающие размещенные в корпусе проточного канала сердечника с обмотками, и подвод электропитания к обмоткам, между корпусом и направляющими и спрямляющими лопатками установлены амортизаторы, на поверхностях электродвигателя гребного винта, образующих проточный канал, заподлицо с ними установлены магниты, преимущественно постоянные, при этом в обтекателе вала и в корпусе проточного канала размещены резервуары с магнитной жидкостью и трубопроводами.

Предлагаемое устройство создает условия для формирования на обтекаемых потоком поверхностях проточного канала, направляющих и спрямляющих лопатках в обтекателе вала гребного винта слоя магнитной жидкости. Это позволяет ламинизировать пограничный слой вдоль указанных поверхностей и существенно снизить гидродинамические потери в зазоре между бандажом лопастей гребного винта и поверхностью проточного канала в районе кольцевой ниши. В устройстве лопасти гребного винта взаимодействуют с потоком, однородность и ламинарность которого обеспечена наличием направляющих лопаток и стенок проточного канала, покрытых магнитной жидкостью. В результате значительно снижаются шум и вибрация лопастей гребного винта, являющегося основным источником шумности устройства. Снижение передачи вибраций, возникающих из-за погрешности изготовления лопастей винта, вала винта, подшипников, а также обусловленных электромагнитными процессами в электродвигателе, на корпус проточного канала достигается за счет амортизаторов, которыми направляющие и спрямляющие лопатки закреплены к указанному корпусу. В предлагаемом устройстве могут быть использованы амортизаторы, собственная частота которых должна быть ниже частоты основных возмущающих усилий (например, лопастной частоты). В этом случае значительно снижаются вибрации корпуса устройства, а следовательно, улучшается вибрационная и шумовая обстановка на судне, где оно установлено.

Следует отметить, что применение амортизаторов в ранее известных устройствах неизбежно привело бы к ухудшению условий протекания потока из-за неизбежного наличия ниш или щелей в местах крепления амортизаторов. В предлагаемом же устройстве наличие слоя магнитной жидкости позволяет закрыть указанные ниши и щели и снизить неоднородности потока. Таким образом, совместное применение средств виброизоляции и создание условий для ламинарного течения потока в движителе путем формирования постоянно присутствующего слоя магнитной жидкости позволяет значительно снизить шум, вибрацию и гидродинамическое сопротивление устройства электродвигатель-винт.

На чертеже приведена схема предложенного устройства.

Устройство содержит вал гребного винта 1, размещенный в обтекателе 2, установленном в насадке корпусе проточного канала 3 с помощью направляющих 4 и спрямляющих 5 лопаток, лопасти 6 гребного винта, охваченные бандажом 7 с размещенными в нем элементами ротора электродвигателя, элементы статора электродвигателя, включающие размещенные в корпусе проточного канала сердечники с обмотками 8, и подвод электропитания 9 к обмоткам.

Направляющие и спрямляющие лопатки виброизолированы от корпуса проточного канала посредством амортизаторов 10, заподлицо с обтекаемыми потоком поверхностями модуля размещены магниты 11, например постоянные, удерживающие на этих поверхностях слой магнитной жидкости 12, а в обтекателе вала и в корпусе проточного канала размещены резервуары 13 с каналами 14 для подпитки слоя магнитной жидкости.

Проточный канал в предлагаемом устройства может быть образован насадкой (как в прототипе), размещенной снаружи корпуса судна стационарно или в выдвижном исполнении. Возможен также вариант размещения проточного канала внутри обводов корпуса судна по типу водометного движителя. Использование электропитания позволяет расположить предлагаемое устройство в любом удобном месте судна и обеспечивает удобства управления скоростью хода судна и его маневрированием. Модуль допускает использование не только синхронного двигателя, питающегося от импульсного инвертора, но и других типов электродвигателей и источников питания. В качестве магнитов могут быть использованы также электромагниты, а в качестве магнитной жидкости жидкие взвеси, обладающие необходимой для несмывания потоком магнитной силой и отвечающие другим эксплуатационным требованиям. Виброизоляция лопаток от корпуса проточного канала выполняется исходя из необходимости не только снижения вибраций, но и передачи упора от гребного винта на корпус модуля.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Перед началом и в ходе эксплуатации устройства по мере надобности из подпиточных резервуаров по каналам подается магнитная жидкость, слой которой удерживается на обтекаемых потоком поверхностях набором магнитов практически неограниченное время в заданном интервале скоростей хода. Это обеспечивается выбором местоположения и силовых характеристик магнитов и магнитной жидкости.

Ламинаризация потока и его формирование направляющими и спрямляющими лопатками, виброизолированными от корпуса модуля, позволяет существенно снизить шум, вибрацию и гидродинамическое сопротивление, а также снизить вихреобразование и следность потока на выходе из проточного канала.

Проведенные проектно-исследовательские проработки и экспертные оценки показали, что по сравнению с прототипом уровни шума и вибраций могут быть снижены в широком диапазоне частот на 5-10 дБ, а гидродинамическое сопротивление уменьшится.

Формула изобретения

КОМБИНИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ГРЕБНОЙ ВИНТ, содержащий вал гребного винта, размещенный в обтекателе, закрепленном в насадке-корпусе проточного канала посредством направляющих и спрямляющих лопаток, лопасти гребного винта, охваченные бандажом с размещенным в нем ротором электродвигателя, статор электродвигателя в виде сердечников с обмотками, установленный в корпусе проточного канала, и подвод электропитания к обмоткам, отличающийся тем, что между корпусом и направляющими и спрамляющими лопатками установлены амортизаторы, на поверхностях электродвигателя гребного винта, образующих проточный канал, заподлицо с ними установлены магниты, преимущественно постоянные, при этом в обтекателе вала и в корпусе проточного канала размещены резервуары с магнитной жидкостью и трубопроводами.