Установка для испытаний моделей судовых движителей

 

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике корабля и касается измерительного оборудования для проведения испытаний моделей судовых движительных комплексов в гидродинамическом и ледовом опытовых бассейнах. Установка содержит корпус, обтекаемую стойку и гондолу, внутри которой размещены элементы приводного механизма и гребной вал. Модели гребных винтов закреплены на противоположных консольно выступающих из гондолы концах гребного вала и размещены внутри направляющих насадок. Стойка и гондола снабжены кронштейнами и пятками в корпусе гондолы для крепления направляющих насадок и потоконаправляющих крыльев. На одной из консольно выступающих частей гребного вала установлены втулка для крепления ледоразрушающих элементов и сменная разделительная втулка. Измеритель крутящего момента содержит два датчика в виде торсиомов с тензопреобразователями, установленные соответственно на гребном валу и на валу приводного механизма и электрически соединенные с токосъемниками. Динамометр сил на комплексе содержит изготовленные за одно целое фланцы со стержнями между ними. Один фланец соединен с втулкой устройства разворота, а другой - со стойкой. Поперечные сечения стержней имеют форму прямоугольников или квадратов и их оси совпадают с направлениями осей установки. Тензопреобразователи стержней образуют датчики продольной и поперечной силы, моментов дифферента, крена и тангажа. Устройство разворота выполнено дискретным и снабжено фиксатором. Изобретение расширяет экспериментальные возможности установки. 2 ил.

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике корабля и касается измерительного оборудования для проведения испытаний моделей судовых движительных комплексов в гидродинамическом и ледовом опытовых бассейнах.

В настоящее время широкое применение дня обеспечения движения и маневрирования судов находят винторулевые колонки, оборудованные движительными комплексами гребной винт в направляющей насадке. Перспективными становятся новые движители, разработанные фирмой "Schottel-Siemens", типа STP и SCP в виде двух гребных винтов, открытых или в направляющих насадках, расположенных по обеим сторонам гондолы винторулевой колонки (ВРК). Для судов активного ледового плавания, кроме основного гребного винта, может устанавливаться рядом с ним дополнительный гребной винт для разрушения ледового поля и защиты лопастей основного гребного винта и входного отверстия направляющей насадки. Иногда движительный комплекс гребной винт в направляющей насадке дополняется потоконаправляющими крыльями, которые устанавливают на корпусе гондолы ВРК. Для проектирования таких движительных комплексов, нахождения оптимальных конструктивных параметров необходимы соответствующие экспериментальные установки для испытаний судовых движительных комплексов в опытовых бассейнах.

Известна установка для испытаний моделей судовых движителей, содержащая корпус, обтекаемую стойку и гондолу с размещенными внутри них элементами приводного механизма и гребным валом, консольно выступающим из гондолы с закрепленной на нем моделью гребного винта, помещенного внутри направляющей насадки, жестко прикрепленной к обтекаемой стойке и гондоле, устройство разворота, измеритель крутящего момента с токосъемником и динамометр сил на комплексе гребной винт-насадка (см. авт. свид. СССР 1093608, кл. В 63 В. 9/2), принятая нами за прототип.

Недостатком известной установки является то, что она не обеспечивает испытаний новых перспективных движителей типа STP и SCP "Schottel-Siemens", выполненных в виде двух гребных винтов, открытых или в направляющих насадках, расположенных по обеим сторонам гондолы ВРК, а также движительных комплексов, содержащих, наряду с основным гребным винтом, ледоразрушающие элементы в виде лопаток или лопастей и движительных комплексов с потоконаправляющими крыльями. Кроме того, известная установка не обеспечивает измерений основных физических параметров, характеризующих работу указанных выше перспективных движителей, при этом измеряемые ею параметры оценивают только осредненные величины ввиду значительной инерционности используемых в установке индуктивных преобразователей, требующих для своей работы сравнительно больших перемещений элементов упругой системы динамометра (порядка 0,1-0,2 мм).

Заявляемое изобретение решает задачу расширения экспериментальных возможностей установки для испытаний моделей судовых движителей в гидродинамическом и ледовом опытовых бассейнах, обеспечивая испытания как обычных движительных комплексов, так и движительных комплексов типа STP и SCP, движительных комплексов, содержащих ледоразрушающие элементы в виде лопаток или лопастей, а также движительных комплексов с направляющими крыльями, и измерение мгновенных значений крутящего момента на каждом из гребных винтов, установленных по обе стороны гондолы ВРК, продольной и поперечной силы на комплексе, а также моментов крена, дифферента и тангажа.

Для этого установка для испытаний моделей судовых движителей дополнена второй моделью гребного винта, закрепленного на противоположном конце гребного вала, выполненного консольно выступающим из гондолы, а обтекаемая стойка и гондола снабжены кронштейнами и утопленными заподлицо пятками для возможности крепления направляющих насадок и потоконаправляющих крыльев, консольно выступающая часть гребного вала, на котором закреплена первая модель гребного винта, выполнена удлиненной и снабжена установленной на ней втулкой для возможности крепления ледоразрушающих элементов в виде лопаток или лопастей и сменной разделительной втулкой, измеритель крутящего момента выполнен из двух самостоятельных датчиков в виде торсионов, оснащенных тензопреобразователями, один из датчиков установлен на гребном валу и электрически соединен с токосъемником, закрепленным на этом же валу, второй датчик измерителя крутящего момента установлен на валу приводного механизма, а динамометр сил на комплексе выполнен в виде многостержневой системы, заключенной между двумя фланцами, и изготовленной за одно целое с фланцами, один из фланцев закреплен в корпусе установки, второй фланец соединен с обтекаемой стойкой, при этом стержни в поперечном сечении имеют форму прямоугольников или квадратов, направления осей сечений которых совпадают соответственно с направлениями продольной и поперечной осей установки, и оснащены тензопреобразователями, соединенными в измерительные мосты, образующие датчики продольной и поперечной силы, моментов дифферента, крена и тангажа, а устройство разворота выполнено дискретным и снабжено фиксатором.

Выполнение гребного вала консольно выступающим с обеих сторон гондолы позволяет проводить испытания на установке новых перспективных движителей типа STP и SCP, открытых или в направляющих насадках, расположенных по обеим сторонам гондолы ВРК. Для обеспечения крепления на установке второй направляющей насадки и потоконаправляющих крыльев обтекаемая стойка снабжена кронштейнами, а гондола - утопленными заподлицо с ее корпусом пятками.

Консольно выступающая часть гребного вала, на котором закреплена первая модель гребного винта, выполнена удлиненной и снабжена установленной на ней втулкой и сменной разделительной втулкой. Такое исполнение гребного вала позволяет крепить на нем перед входным отверстием направляющей насадки ледоразрушающие элементы в виде лопаток или лопастей (гребного винта), защищая насадку и лопасти первого гребного винта от льда. Сменная разделительная втулка обеспечивает ступенчатое изменение зазора между носовой кромкой насадки и плоскостью сечения ледоразрушающих элементов.

Выполнение датчика крутящего момента из двух самостоятельных датчиков, один из которых установлен на гребном валу, а второй - на вертикальном валу приводного механизма, обеспечивает одновременные и раздельные измерения крутящего момента на каждом гребном винте.

Динамометр сил и моментов на комплексе гребной винт - направляющая насадка выполнен в виде многостержневой системы, заключенной между двумя фланцами. При этом стержни изготовлены за одно целое с фланцами. Такое исполнение упругой системы динамометра обеспечивает высокую динамическую жесткость и стабильность его характеристик, в том числе коэффициентов влияния измеряемых сил и моментов друг на друга, наряду с простотой конструкции, позволяющей одновременное измерение пяти составляющих сия и моментов. Использование тензопреобразователей, наклеенных на стержнях динамометра, позволяет реализовать высокие динамические свойства многостержневой системы, обеспечивая в то же время достаточную чувствительность измерительных датчиков.

Один из фланцев динамометра (неподвижный) закреплен в корпусе установки, второй фланец (подвижный) соединен с обтекаемой стойкой. Направления осей поперечных сечений стержней динамометра совпадают с направлениями продольной и поперечной осей установки (обтекаемой стойки с гондолой и движительными комплексами). Такое исполнение динамометра и размещение его в установке позволяют измерять силы и моменты на комплексе в системе координат движительных комплексов, независимо от угла разворота обтекаемой стойки и гондолы.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически изображена установка, вид сбоку, разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Установка содержит корпус 1, обтекаемую стойку 2 с гондолой 3 и размещенный внутри гондолы на подшипниках гребной вал 4, на консольно выступающем конце 5 которого размещена модель гребного винта 6, помещенная внутри направляющей насадки 7. Внутри обтекаемой стойки размещен на подшипниках вертикальный вал 8, нижний конец которого через угловой редуктор 9 связан с гребным валом 4, а его верхний конец через угловой редуктор 10 связан с электродвигателем привода 11. Установка содержит устройство разворота, выполненное в виде втулки 12, связанной с гондолой 3 и установленной соосно с вертикальным валом 8, с 36-ю равномерно расположенными по ее боковой стенке коническими отверстиями, обеспечивающими дискретный разворот обтекаемой стойки 2 и гондолы 3 с движительным комплексом вокруг вертикальной оси установки. Стопорение втулки 12 осуществляется фиксатором 13, который жестко по резьбе соединен с корпусом 1, а его конический конец входит в коническое отверстие втулки 12.

Установка снабжена второй моделью гребного винта 14, закрепленного на противоположном конце пробного вала 15, выполненного консольно выступающим из гондолы, и помещена внутри второй направляющей насадки 16. Обтекаемая стойка 2 и гондола 3 снабжены кронштейнами 17, 18 и уплотненными заподлицо в корпусе гондолы пятками (на фиг.1 не показаны), обеспечивающими крепление направляющих насадок и потоконаправляющих крыльев.

Консольно выступающий конец гребного вала 5 выполнен удлиненным и снабжен установленной на валу втулкой 19 и сменной разделительной втулкой 20, обеспечивающих крепление ледоразрушающих лопаток или лопастей 21 с помощью заднего обтекателя с гайкой 22, а также возможность смещения ледоразрушающих лопаток 21 в продольном направлении относительно входного отверстия направляющей насадки 7.

На фиг. 1 установка изображена со всеми элементами движительного комплекса, подлежащими испытанию: основной гребной винт 6 в направляющей насадке 7, дополнительный гребной винт 14 в направляющей насадке 16, ледоразрушающие лопатки 21, потоконапрвляющие крылья 18. Установка разваляет проводить испытания как при полном наборе перечисленных выше элементов движительного комплекса, так и при частичном удалении тех или иных элементов его. Установка снабжена измерителем крутящего момента, выполненным из двух самостоятельных датчиков торсионного типа.

Один датчик крутящего момента 23 выполнен на гребном валу 4 и оснащен тензорезисторами 24, которые соединены в мостовую измерительную схему и соединены электрически с токосъемником 25, установленным на гребном валу. Второй датчик крутящего момента 26 выполнен на вертикальном валу 8 приводного механизма, оснащен тензорезисторами 27, собранными в мостовую измерительную схему, которая электрически соединена с токосъемником 28, установленным на вертикальном валу.

Установка содержит также динамометр сил на комплексе 29, который выполнен в виде системы из 8 стержней 30 и 31 (фиг.1, фиг.2), заключенных между двумя фланцами 32, 33 и изготовленных за одно целое с фланцами. Верхний фланец 32 установлен в корпусе 1 на подшипники и жестко закреплен в нем через втулку 12 и фиксатор 13. Нижний фланец 33 соединен с обтекаемой стойкой 2.

Стержни динамометра 30 имеют в поперечном сечении форму квадратов, периферийные стержни 31 имеют в поперечном сечении форму прямоугольников (см. фиг. 2), направления осей поперечных сечений стержней 30 и 31 совпадают соответственно с направлениями продольной и поперечной осей Х, Y установки. Стержни 30 оснащены тензопреобразователями 34 и 35, закрепленными вблизи заделки стержней, а стержни 31 оснащены тензопреобразователями 36, также закрепленными вблизи заделки стержней, и тензопреобразователями 37, 38, закрепленными симметрично относительно середины длины стержней (фиг.1).

Соответствующие тензопреобразователи соединены в измерительные мосты. Тензопреобразователи 34 образуют датчик продольной силы, тензопреобразователи 35 образуют датчик поперечной силы, тензопреобразователи 36 образуют датчик тангажа, тензопреобразователи 37 образуют датчик момента дифферента, а тензопреобразователи 38 образуют датчик крена.

Благодаря тому, что стержни выполнены за одно целое с фланцами, достигается высокая стабильность метрологических характеристик измерительных датчиков, в том числе коэффициентов влияния сил и моментов друг на друга. Это позволяет при обработке сигналов измерительных датчиков на ЭВМ исключать систематические погрешности, обусловленные взаимовлиянием измеряемых параметров.

Ввиду того, что нижний фланец динамометра 33 соединен с обтекаемой стойкой 2, а стопорение верхнего фланца 32 в корпусе 1 установки производится после разворота обтекаемой стойки 2 с гондолой 3 и движительными комплексами на заданный угол (например, относительно продольной оси модели судна), динамометр 29 осуществляет измерения сил и моментов в системе координат Х, Y движительного комплека.

Наличие в установке двух самостоятельных датчиков крутящего момента: 23 на гребном валу и 26 на вертикальном валу приводного механизма позволяет проводить одновременные и раздельные измерения крутящего момента на каждом гребном винте, т.к. датчик 23 измеряет крутящий момент на гребном винте 6 и ледоразрушающих лопатках 21 (в случае их наличия), а датчик 26 измеряет суммарный крутящий момент на движительном комплексе в целом, включая гребной винт 14.

Установка работает следующим образом.

После выполнения монтажа установки, например, на модели судна, обтекаемая стойка 2 с гондолой 3 и движительным комплексом 6, 7 (при необходимости устанавливаются также совместно или порозень ледоразрушающие лопатки 21, гребной винт 14, направляющая насадка 16, потоконаправляющие крылья 18) с помощью механизма дискретного поворота 12, 13 устанавливается под требуемым углом к продольной оси модели судна и фиксируется в этом положении стопорителем 13. При буксировке модели судна под буксировочной тележкой в гидродинамическом или ледовом опытовом бассейне на движительные комплексы действуют гидродинамические (и ледовые) силы, которые передаются на нижний подвижный фланец 33 динамометра и деформируют его стержни 30, 31. Деформации стержней преобразуются тензопреобразователями 34, 35, 36, 37, 38 в электрические сигналы, пропорциональные действующим на установку продольной и поперечной силам, моментам дифферента, крена и тангажа. Возникающий при вращении приводного двигателя 11 крутящий момент от гребных винтов 6, 14 и ледоразрушающих лопаток 21 передается на датчик крутящего момента 26. который вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный величине суммарного крутящего момента, действующего на движительные комплексы. А крутящий момент от гребного винта 6 ледоразрушающих лопаток 21, кроме того, передается на датчик крутящего момента 23, который вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный величине действующего момента. При испытании движительного комплекса 6,7 с ледоразрушающими лопатками 21 измерение крутящего момента датчиком 23 и сил на динамометре 29 последовательно проводятся с установленными лопатками или лопастями 21 и без них. Эффект влияния ледоразрущающих лопаток или лопастей 21 исследуется, изменяя отстояние их от входного отверстия направляющей насадки 7 с помощью сменной разделительной втулки 20.

Влияние потоконапрвляющих крыльев 18 на работу движительного комплекса исследуется также путем последовательного проведения испытаний движительного комплека с крыльями 18 и без них. При этом эффект от наличия потоконапрвляющих крыльев 18 оценивается по изменению величины тяги комплекса, которая измеряется датчиком продольной силы динамометра 29. При снятии потоконапрвляющих крыльев с установки они заменяются обтекаемыми кронштейнами, подобными кронштейнам 17. Для крепления потоконапрвляющих крыльев или кронштейнов 18 гондола снабжена утопленными заподлицо пятками (не показаны).

Установка позволяет проводить испытания разнообразных движительных комплексов, в том числе перспективных движителей типа STP и SCP фирмы Schottel-Simmens, ледоразрушающих элементов, устанавливаемых перед комплексом гребной винт - насадка и потоконапрвляющих крыльев, и обеспечивает дистанционное измерение всех основных параметров.

Формула изобретения

Установка для испытаний моделей судовых движителей, содержащая корпус, обтекаемую стойку и гондолу с размещенными внутри них элементами приводного механизма и гребным валом, консольно выступающим из гондолы с закрепленной на нем моделью гребного винта, размещенного внутри направляющей насадки, жестко прикрепленной к обтекаемой стойке и гондоле, устройства разворота, измеритель крутящего момента с токосъемником и динамометр сил на комплексе, отличающаяся тем, что установка дополнена второй моделью гребного винта, закрепленного на противоположном конце гребного вала, выполненного консольно выступающим из гондолы, а обтекаемая стойка и гондола снабжены кронштейнами и утопленными заподлицо в корпус гондолы пятками для обеспечения возможности крепления направляющих насадок и потоконаправляющих крыльев, консольно выступающая часть гребного вала, на котором закреплена первая модель гребного винта, выполнена удлиненной и снабжена установленной на ней втулкой для обеспечения возможности крепления ледоразрушающих элементов в виде лопаток или лопастей и сменной разделительной втулкой, измеритель крутящего момента выполнен из двух самостоятельных датчиков в виде торсионов, оснащенных тензопреобразователями, один из датчиков установлен на гребном валу и электрически соединен с токосъемником, закрепленным на этом же валу, второй датчик измерителя крутящего момента установлен на валу приводного механизма, а динамометр сил на комплексе выполнен в виде многостержневой системы, заключенной между двумя фланцами и изготовленной за одно целое с фланцами, один из фланцев закреплен в корпусе установки посредством втулки устройства разворота, второй фланец соединен с обтекаемой стойкой, при этом стержни в поперечном сечении имеют форму прямоугольников или квадратов, направления осей сечений которых совпадают соответственно с направлениями продольной и поперечной осей установки, и оснащены тензопреобразователями, соединенными в измерительные мосты, образующие датчики продольной и поперечной силы, моментов дифферента, крена и тангажа, а устройство разворота выполнено дискретным и снабжено фиксатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2