Судовой движитель и способ его работы
Изобретение относится к судостроению, а именно к судовым движителям. Судовой движитель состоит из гребного винта, ступицы и приводного вала. Гребной винт вместе со ступицей имеет возможность свободно перемещаться в осевом направлении относительно приводного вала, при этом между ступицей и приводным валом размещен соосный с ними пружинный механизм. Работа судового движителя осуществляется с одновременным вращением гребного винта, который совершает еще и асимметричные колебания вдоль своей продольной оси. Источник энергии этих колебаний является собственная вибрация работающего гребного винта, подпружиненного в осевом направлении относительно гребного вала. Достигается возникновение ассиметричных колебаний. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к гребным винтам и реактивным двигателям. Для двигателей предлагается использовать вибрацию, которая всегда имеет место при работе двигателя. Вибрация, с которой боролись во все времена (ибо она идет на разрушение) при определенных условиях может быть использована и для повышения КПД некоторых типов двигателей.
Существуют различные способы повышения КПД гребных винтов. Почти все они основаны на изменении геометрии лопастей гребного винта. Известен, например, судовой движитель (пат. России 2390463), состоящий из приводного вала, ступицы и гребного винта с лопастями, где для повышения КПД плоские части лопастей имеют поперечные открытые вырезы, ширина которых плавно увеличивается в радиальном направлении от ступицы к периферии.
Недостатком этого движителя является усложнение конструкции лопастей и трудности при их доводке. Предлагаемое изобретение позволяет повысить КПД практически любого гребного винта без каких-либо изменений его геометрических параметров.
Чтобы понять специфику процесса, рассмотрим сначала особенности движения подводного аппарата 1, изображенного на фиг. 1, где вместо гребного винта в качестве движителя используется плоский диск 2, совершающий колебания вдоль продольной оси. Если плоский диск движется влево и вправо с одинаковой скоростью V, то результирующая сила, направленная вдоль продольной оси будет равна нулю (F-F=0). Если же диск будет двигаться влево со скоростью V, а вправо со скоростью 3V то, так как сопротивление воды зависит от квадрата скорости, результирующая сила будет равна (3)2 F-F=8F.
Итак, чтобы аппарат начал двигаться вдоль продольной оси, необходимо создать асимметричные колебания диска вдоль этой оси и найти источник энергии для этих колебаний.
Лопасти гребного винта 3 (фиг. 2 и 3) во многом подобны плоскому диску, о котором шла речь выше. Во время своей работы гребной винт всегда вибрирует, совершая колебательные движения вдоль своей продольной оси. Однако эти колебания симметричные, поэтому результирующая сила равна нулю.
Задача состоит в том, чтобы эти симметричные колебания преобразовать в асимметричные. Поставленная цель достигается тем, что между фланцем 4 ступицы 5 гребного винта и фланцем 6 приводного вала 7 располагается цилиндрическая пружина 8.
Цилиндрическая пружина имеет два собственных фланца 9 и 10, приваренные к ее торцам. С помощью этих фланцев пружина жестко крепится к фланцам приводного вала и ступицы гребного винта. Для этой цели используется обычное болтовое соединение (место А). При этом ступица вместе с гребным винтом должна иметь возможность свободного перемещения в осевом направлении относительно приводного вала. Для этой цели используется шлицевое соединение (сечение Б-Б).
На фиг. 2 изображен неработающий гребной винт (пружина находится в расслабленном состоянии). Однако если гребной винт начнет работать, он тут же сожмет пружину, как показано на фиг. 3. Такая сжатая пружина, стремясь распрямиться, будет увеличивать скорость движения лопастей гребного винта в направлении слева направо и наоборот, препятствовать их движению в противоположном направлении, что приведет к возникновению асимметричных колебаний и к появлению добавочной силы, действующей в осевом направлении.
Для достижения максимального эффекта необходимо выявить весь спектр собственных колебаний гребного винта при его работе на номинальном режиме (пружинный механизм при этом должен отсутствовать) и, ориентируясь на доминантную частоту 
в этом спектре, подобрать необходимую жесткость пружины с целью достижения резонанса.
Пружина 8 вместе с гребным валом и ступицей образуют колебательную систему, называемую пружинным маятником. Как известно, собственная частота пружинного маятника 
определяется по формуле:
а - жесткость пружины,
m - масса гребного винта вместе со ступицей.
Для наступления резонанса необходимо, чтобы частота внешнего возмущающего воздействия совпала с собственной частотой колебательной системы. Внешним возмущающим воздействием является доминантная частота работающего гребного винта. Приравнивая обе частоты, получаем искомую жесткость пружины:
a - жесткость пружины,
m - масса гребного винта вместе со ступицей.
Наиболее полно поведение упругой системы описывается следующим уравнением:
где X - осевая координата, 
и 
- первая и вторая производные осевой координаты, c - коэффициент затухания, a - жесткость пружины, F(x) - равнодействующая внешних сил, отнесенная к единице массы гребного винта вместе со ступицей m.
1. Способ работы судового движителя, отличающийся тем, что гребной винт одновременно с вращением совершает еще и асимметричные колебания вдоль своей продольной оси, при этом источником энергии этих колебаний является собственная вибрация работающего гребного винта, подпружиненного в осевом направлении относительно гребного вала.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для достижения наибольшей эффективности, колебательная система гребного винта настроена в резонанс с доминантной частотой собственных колебаний гребного винта, работающего в номинальном режиме.
3. Судовой движитель, состоящий из гребного винта, ступицы и приводного вала, отличающийся тем, что гребной винт вместе со ступицей имеет возможность свободно перемещаться в осевом направлении относительно приводного вала, при этом между ступицей и приводным валом размещен соосный с ними пружинный механизм.
