Силовая установка с забортным водометом для морских транспортных средств
Изобретение относится к судостроению, а именно силовым установкам с забортным водометом для морских транспортных средств. Силовая установка с забортным водометом для морских транспортных средств содержит обтекатель, который в своей внутренней части вмещает движитель, состоящий из насоса, приводимого в действие для создания потока текучей среды через обтекатель в соответствии с направлением (VF) движения выходного потока. Обтекатель содержит передний динамический заборник, имеющий проходные сечения, существенно увеличивающиеся в соответствии с вышеуказанным направлением (VF) движения выходного потока таким образом, чтобы вызвать снижение локальной скорости текучей среды и повышение давления. Заднее выходное сопло имеет проходные сечения, существенно уменьшающиеся в направлении (VF) движения выходного потока текучей среды таким образом, чтобы вызвать повышение локальной скорости текучей среды и снижение давления, что формирует реактивную струю, создающую тягу, на выпуске выходного сопла. Достигается повышение КПД, надежности и эффективности и предотвращение кавитации в эксплуатации силовой установки. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область применения
Настоящее изыскание касается силовой установки с забортным водометом для морских транспортных средств согласно ограничительной части независимого пункта 1 формулы изобретения.
Настоящая силовая установка применяется в области реактивных двигательных систем для использования на море / в судоходстве.
Преимущественно настоящая силовая установка приспособлена для применений на море в условиях высоких скоростей (предпочтительно для скоростей более 30–40 узлов) и предназначена для использования, например, в быстрых спортивных/прогулочных судах или коммерческих лодках.
Уровень техники
Как известно, в области силовых установок в течение некоторого времени применялась технология движительных силовых установок. Эта технология обычно имеет забортную конфигурацию, в которой движитель находится снаружи днища судна и приводится в движение посредством системы механических передач, которая соединяет движитель с двигателем внутреннего сгорания. Эта технология силовых установок, несмотря на свои важные преимущества с точки зрения простоты и гибкости конструкции, имеет строгие ограничения в отношении достижимых скоростей и, следовательно, концентрации мощности на единицу движущей оси. Причина таких ограничений связана с тем фактом, что движитель представляет собой бестуннельный движитель (т. е. он не имеет кожуха, отделяющего его от внешней среды) и, следовательно, максимальная нагрузка, которая может быть сосредоточена с точки зрения мощности на единицу вала движителя, является сравнительно небольшой.
В области морских транспортных средств также широко распространена, даже если она появилась сравнительно недавно, технология силовых установок с водометом, в которой по существу используется принцип действия и противодействия для продвижения судна путем перекачивания окружающей воды.
Водометные движители, которые в настоящее время распространены в области быстрых транспортных средств для использования в судоходстве / на море (т. е. со скоростями передвижения более 30–40 узлов), как известно, относятся к так называемому типу с наклонным впуском (или имеют заборник утопленного типа).
Вышеуказанные водометные движители обычно установлены в бортовой конфигурации, т. е. в пределах днища судна, в днище которого выполнен заборный туннель, проходящий от впускной секции (часто называемой «заборной горловиной» или, проще говоря, «горловиной»), выполненной вблизи кормы/юта лодки, за которой следует секция, в которой находится насос, который, в свою очередь, соединен с выходным соплом. Внутри заборного туннеля или, что еще лучше, на подходящем расстоянии от горловины расположен насос, который соединен с двигателем (обычно внутреннего сгорания) и может приводиться в действие последним для повышения давления воды с целью ее транспортировки через тот же заборный туннель к выходному соплу, где скорость увеличивается, что формирует эффект движущей силы, который создает продвигающую тягу судна.
Бортовые водометные движители, расположенные на борту, известного типа, даже если они освобождают лодку от настоятельных габаритных ограничений, имеют ограничения в отношении уровня пропульсивного коэффициента полезного действия, удельной тяги и антикавитационного запаса движителя в той степени, которая тем больше, чем выше скорость, необходимая для лодки.
Действительно, в бортовых водометных движителях потоку воды в заборном туннеле не способствует очень большая общая длина последнего, из-за чего следует сильное уменьшение перепадов гидравлического давления в самом туннеле, что оказывает значительный отрицательный эффект на пропульсивный коэффициент полезного действия.
Известны также забортные движители с впуском скоростного напора, которые тем не менее совершенно не предназначены для использования при высоких скоростях плавания/передвижения. Более подробно последние движители известного типа, также называемые подруливающими устройствами (носовым подруливающим устройством, азимутальным подруливающим устройством и т. д.), предусматривают использование одного или более туннельных движителей в цилиндрических или усеченно-конических туннелях. Такие движители в виде подруливающих устройств (где движители приводятся в действие как механическими приводными системами, так и электрическими системами) не допускают концентрацию тяги (т. е. тягу на единицу реализованного расхода текучей среды), которой в целом достаточно для обеспечения скоростей плавания/передвижения, превышающих 20 узлов, и, следовательно, они подходят только для использования при движении на малых скоростях (менее 20 узлов), например, для маневрирования в порту или для медленного плавания/передвижения. Вышеуказанные подруливающие устройства с движителями, независимо от принимаемой ими формы, технически не могут подпадать под категорию водометов, поскольку в них используется простая конфигурация с туннельным движителем без использования какого-либо реактивного движителя.
Следовательно, в области силовых установок морских транспортных средств существует потребность в забортных двигательных системах с впуском скоростного напора, которые позволяют повысить характеристики с точки зрения скорости и движущей силы в отношении точных выборов конструкции.
В документе GB 759500 раскрыта известная силовая установка для судов с малой осадкой, которая содержит полый цилиндрический статор, снабженный заборной обечайкой, имеющей заборное отверстие, и выходной обечайкой, имеющей выходное отверстие. Кроме того, силовая установка содержит ротор, снабженный вращающимися лопастями и установленный на валу, соединенном с возможностью поворота со статором и соединенном с электродвигателем. Силовая установка, раскрытая в документе GB 759500, не подходит для высокоскоростных применений, но она предназначена исключительно для низкоскоростных лодок или плоскодонных лодок, потому что, в частности, ей не хватает надлежащей гидродинамической конфигурации для сведения к минимуму явлений лобового сопротивления на высоких скоростях.
Описание изобретения
В этой ситуации задача, лежащая в основе настоящего изобретения, заключается, следовательно, в преодолении недостатков, ясно показанных вышеупомянутыми решениями известного типа, путем предоставления силовой установки с забортным водометом для морских транспортных средств, способной обеспечить высокие скорости продвижения.
Другой целью настоящего изобретения является предоставление силовой установки с забортным водометом для морских транспортных средств, способной обеспечить высокий пропульсивный коэффициент полезного действия.
Другой целью настоящего изобретения является предоставление силовой установки с забортным водометом для морских транспортных средств, способной предотвратить проблемы, связанные с явлением кавитации.
Другой целью настоящего изобретения является предоставление силовой установки с забортным водометом для морских транспортных средств, которая полностью эффективна и надежна в эксплуатации.
Краткое описание чертежей
Технические характеристики настоящего изобретения в соответствии с вышеуказанными целями могут быть ясно видны в содержимом приведенной ниже формулы изобретения, и их преимущества станут более очевидными в следующем подробном описании, приведенном со ссылкой на прилагаемые графические материалы, которые представляют несколько исключительно иллюстративных и неограничивающих вариантов осуществления настоящего изобретения, на которых:
- на фиг. 1 показано схематическое представление силовой установки в разрезе согласно меридиональному виду в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, имеющим, в частности, выпускные направляющие лопатки статора и рабочее колесо, имеющее тип, в котором присутствует ступица;
- на фиг. 2 показано схематическое представление силовой установки в разрезе согласно меридиональному виду в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, имеющим, в частности, выпускные направляющие лопатки статора и рабочее колесо, имеющее тип, в котором отсутствует ступица;
- на фиг. 3 показано схематическое представление силовой установки в разрезе согласно меридиональному виду в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, в частности, не имеющим выпускных направляющих лопаток статора и имеющим рабочее колесо, имеющее тип, в котором присутствует ступица;
- на фиг. 4 показано схематическое представление силовой установки в разрезе согласно меридиональному виду в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения, в частности, не имеющим выпускных направляющих лопаток статора и имеющим рабочее колесо, имеющее тип, в котором отсутствует ступица.
Подробное описание нескольких предпочтительных вариантов осуществления
Что касается прилагаемых графических материалов, то ссылочная позиция 1 в целом указывает на силовую установку с забортным водометом для морских транспортных средств, являющуюся объектом настоящего изобретения.
В частности, настоящая силовая установка 1 выполнена с возможностью достижения конфигурации, которая является полностью забортной, в которой силовая установка 1 установлена на внешней части днища корпуса судна таким образом, что в нее может спереди попадать вода при продвижении судна.
Согласно настоящему изобретению силовая установка 1 содержит обтекатель 2 (также называемый «челноком» на техническом жаргоне) и движитель 3, вмещенный внутри такого обтекателя 2. Более подробно обтекатель 2 содержит корпус 4, предпочтительно имеющий гидродинамическую форму (в частности, по существу трубчатую форму) и предпочтительно, но не обязательно, являющийся полностью осесимметричным, причем продольная ось должна быть расположена по существу горизонтально.
В частности, корпус 4 проходит в осевом направлении между передним концом 5 и противоположным задним концом 6 вдоль направления X удлинения, преимущественно прямолинейного и предпочтительно совпадающего с продольной осью самого корпуса 4.
Кроме того, корпус 4 обтекателя 2 снабжен транспортным каналом 7, который проходит вдоль вышеуказанного направления X протяженности между впускной секцией 8, которая расположена на переднем конце 5 корпуса 4, и противоположной выпускной секцией 9, которая расположена на заднем конце 6 корпуса 4.
Обтекатель 2 предназначен для соединения с внешней частью днища судна таким образом, чтобы он был полностью погружен в текучую среду (в частности, жидкость) водоема, по которому должно продвигаться само судно.
В частности, обтекатель 2 предназначен для крепления к днищу судна, например, посредством опорной пластины 10, таким образом, как само по себе известно специалисту в данной области техники.
Движитель 3 расположен внутри транспортного канала 7 корпуса 4 обтекателя 2 и может приводиться в действие для создания струи текучей среды, которая выходит из выпускной секции 9 корпуса 4 и которая в результате противодействия обусловливает движение в конкретном направлении V1 продвижения, которое является по существу поперечным впускной секции 8 корпуса 4. В соответствии с идеей, лежащей в основе настоящего изобретения, движитель 3 содержит по меньшей мере один насос 11, приводимый в действие для создания потока текучей среды через транспортный канал 7 корпуса 4 в соответствии с направлением VF движения выходного потока, которое проходит от впускной секции 8 (передней) к выпускной секции 9 (задней) корпуса 4.
В частности, насос 11 выполнен с возможностью создания значительного давления текучей среды, что позволяет достичь чистого и конечного повышения давления между текучей средой, которая находится выше по потоку от насоса 11, и текучей средой ниже по потоку от него.
Обтекатель 2 силовой установки 1 согласно настоящему изобретению содержит передний динамический заборник 12, приспособленный для приема текучей среды, которая поступает из впускной секции 8 корпуса 4.
Более подробно динамический заборник 12 содержит переднюю секцию 13 (предпочтительно трубчатую) корпуса 4, причем указанная передняя секция 13 имеет подходящую гидродинамическую форму, которая проходит в осевом направлении вдоль направления X протяженности самого корпуса 4 между впускной секцией 8 последнего и насосом 11.
Динамический заборник 12 и, в частности, его передняя секция 13, проходят, начиная с впускной секции 8 корпуса 4, в сторону насоса 11. Впускная секция 8 устроена таким образом, что ее плоскость пролегания предпочтительно, но не обязательно, ортогональна направлению V1 продвижения, так что такая впускная секция 8 (и динамический заборник 12) напрямую подвергается воздействию течения во время продвижения судна.
Передняя секция 13 динамического заборника 12 имеет проходные сечения, полученные поперечно направлению X протяженности корпуса 4, которые существенно увеличиваются в соответствии с направлением VF движения выходного потока текучей среды, т. е. в соответствии с направлением движения направления X протяженности, которое проходит от переднего конца 5 к заднему концу 6 корпуса 4. Таким образом, такая конфигурация с увеличивающимся сечением динамического заборника 12 вызывает в его внутренней части среднее снижение скорости текучей среды и последующее повышение давления, т. е. рассеивание, самой текучей среды. Конечно, не выходя за пределы объема правовой охраны настоящего патента, динамический заборник 12 может быть снабжен дополнительными секциями (ниже и/или выше по потоку от вышеуказанной передней секции 13), которые могут иметь неувеличивающееся сечение (например, постоянное сечение).
Более того, преимущественно необходимость обеспечения подходящей эксплуатационной гибкости движительного устройства 1 в зависимости от скорости плавания/передвижения обязывает, чтобы передняя секция 13 динамического заборника 12 была соединена с внешней поверхностью корпуса 4 обтекателя 2 посредством кромки 27, имеющей соответствующим образом закругленную форму, которая определяет границу края впускной секции 8 обтекателя 2. Указанное закругление кромки 27 может обусловливать, в соответствии с ее собственной формой, ограниченное и описанное локальное сужение проходных сечений, начиная с впускной секции 8 обтекателя 2, не вызывая искажения рассеивающих функций динамического заборника 12 в целом.
В процессе работы динамический заборник 12 с его постепенно увеличивающимися проходными сечениями рассеивает течение текучей среды, снижая его скорость и восстанавливая давление, а также, возможно, устраняя или смягчая возможные неоднородности, которые могут присутствовать в течении, поступающем внутрь транспортного канала 7 обтекателя 2.
Следовательно, по сути функция динамического заборника 12 заключается в замедлении течения, восстановлении статического давления, поддержании равномерного потока текучей среды и обеспечении возможности поступления последней в место перед насосом 11 с более низкой скоростью, чем скорость невозмущенного потока снаружи обтекателя 2.
Обтекатель 2 также содержит заднее выходное сопло 14, приспособленное для ускорения течения текучей среды под давлением от насоса 11 на скоростях, значительно превышающих скорость плавания/передвижения, что, таким образом, позволяет получить реактивный эффект, который обеспечивает движение в направлении V1 продвижения.
Более подробно выходное сопло 14 содержит по существу осесимметричную (предпочтительно трубчатую) заднюю секцию 15 корпуса 4, которая проходит в осевом направлении вдоль направления X протяженности между насосом 11 и выпускной секцией 9 корпуса 4, в частности, оканчиваясь на самой выпускной секции 9.
Задняя секция 15 выходного сопла 14 имеет проходные сечения, полученные поперечно направлению X протяженности, которые уменьшаются в направлении VF движения выходного потока таким образом, чтобы вызвать внутри выходного сопла 14 повышение локальной скорости текучей среды и последующее снижение давления последней, что формирует реактивную струю, создающую тягу, которая выходит из выпускной секции 9 корпуса 4 обтекателя 2.
Таким образом, в частности, выходное сопло 14 эффективно и одновременно чрезвычайно пространственно компактно выполняет функцию ускорения течения текучей среды с возможностью получения реактивного эффекта для движения.
Конечно, не выходя за пределы объема правовой охраны настоящего патента, выходное сопло 14 может быть снабжено дополнительными секциями (ниже и/или выше по потоку от вышеуказанной задней секции 15), которые могут иметь неуменьшающееся (например, постоянное) сечение. Преимущественно обтекатель 2 содержит центральный элемент 16, расположенный между динамическим заборником 12 и выходным соплом 14 и содержащий насос 11 в своей внутренней части.
Более подробно вышеуказанный центральный элемент 16 содержит промежуточную секцию 17 (предпочтительно трубчатую) корпуса 4, которая проходит в осевом направлении вдоль направления X протяженности между передней секцией 13 динамического заборника 12 и задней секцией 15 выходного сопла 14. Такая промежуточная секция 17, во внутренней части которой вмещен насос 11, имеет проходные сечения, полученные поперечно направлению X протяженности корпуса 4, преимущественно (но не обязательно) имеющие по существу постоянную площадь вдоль такого направления X протяженности.
Преимущественно насос 11 снабжен по меньшей мере одним рабочим колесом 18, имеющим ось Y вращения, параллельную направлению X протяженности корпуса 4 обтекателя 2.
Соответственно, впускная секция 8, а также предпочтительно выпускная секция 9 корпуса 4 лежат в соответствующих плоскостях пролегания, которые по существу ортогональны оси Y вращения рабочего колеса 18, которая, в частности, пересекает такие секции 8, 9. Рабочее колесо 18 насоса 11 снабжено лопастями 19, имеющими аэродинамический профиль, в частности, с предпочтительно увеличивающейся хордой, которая увеличивается в зависимости от радиуса рабочего колеса 18, например, для значительного повышения давления текучей среды внутри обтекателя 2, и которая позволяет достижение конечного скачка давления между текучей средой выше по потоку и ниже по потоку от насоса 11.
Преимущественно рабочее колесо 18 может быть снабжено центральной ступицей 24, которая содержит лопасти 19 (как в примерах по фиг. 1 и фиг. 3), прикрепленные к ней, или оно может иметь тип, в котором отсутствует ступица (как в примерах по фиг. 2 и фиг. 4). В частности, рабочее колесо 18, имеющее тип, в котором отсутствует ступица, не имеет ступицы и содержит периферийное кольцо, которое проходит вокруг оси Y вращения, с возможностью вращения ограничено в транспортном канале 7 корпуса 4, чтобы вращаться вокруг указанной оси Y вращения, и содержит лопасти 19, прикрепленные к нему; более подробно каждая лопасть 19 проходит между (свободным) внутренним концом, направленным к оси Y вращения, и внешним концом, прикрепленным к вышеуказанному периферийному кольцу.
Предпочтительно насос 11 представляет собой осевой насос или полуосевой насос (также называемый диагональным насосом). Форма лопастной системы 18 ротора предусматривает наличие содержащей лопасти ступицы 24 или диска в традиционной конфигурации осевого насоса или диагонального насоса. Однако, если насос 11 не имеет ступицы, форма с лопастями по-прежнему отвечает гидродинамическим требованиям рабочих колес с осевым потоком или диагональным потоком, за исключение того, что лопастная система прикреплена по периферии к содержащему лопасти кольцу.
Расположение насоса 11 осевого или полуосевого типа позволяет обрабатывать относительно высокие объемные расходы по отношению к напору, что является обязательным условием для обеспечения максимально возможного значения пропульсивного коэффициента полезного действия и, следовательно, снижения затрат.
Преимущественно насос 11 содержит две или более ступеней, расположенных последовательно вдоль направления X протяженности корпуса 4 обтекателя 2, и каждая из таких ступеней снабжена соответствующим рабочим колесом 18.
Конечно, рабочие колеса 18 разных ступеней насоса 11 могут иметь разные конфигурации в зависимости, в частности, от их рабочих характеристик.
Предпочтительно в соответствии с вариантами осуществления, изображенными на прилагаемых фигурах, насос 11 содержит первую ступень 20, выполняющую в основном функцию нагнетательного устройства с антикавитационным эффектом, и последующую вторую ступень 21, в основном выполняющую функцию мощности.
В частности, первая ступень 20 размещена вдоль направления X протяженности корпуса 4 непосредственно ниже по потоку от динамического заборника 12 (относительно направления VF движения выходного потока), и она выполнена с возможностью создания первого повышения давления текучей среды для частичного нагнетания потока текучей среды при таком давлении, чтобы предотвратить кавитацию внутри каналов с лопастями первой ступени 20 и ниже по потоку от последней, поддерживая относительно низкий напор. Вторая ступень 21 размещена между первой ступенью 20 и выходным соплом 14, в частности, непосредственно выше по потоку от последнего. Такая вторая ступень 21 выполнена с возможностью создания второго повышения давления текучей среды, большего, чем первое повышение давления, создаваемое первой ступенью 20, таким образом, чтобы получить больший напор и получить желаемую реактивную тягу по существу без риска возникновения проблем кавитации.
Таким образом, в частности, две ступени 20, 21, расположенные последовательно, позволяют разделить напор на две части, возложив на первую ступень 20 функцию нагнетательного устройства с антикавитационным эффектом, вводя в нее долю, которая составляет, соответственно, менее 50 % от общего напора насоса 11, чтобы в любом случае предотвратить кавитацию входящего потока, в то время как последующая вторая ступень 21 имеет функцию фактической мощности, причем ее пересекает течение текучей среды, которое находится под соответствующим давлением и, соответственно, по существу невосприимчиво к кавитации.
Что касается такого двухступенчатого решения (вероятно, наиболее подходящего для этой цели), то важно определить «связь» между двумя ступенями 20, 21, т. е. общую долю напора, необходимую для движения, которая должна быть введена в каждую ступень 20, 21. В частности, поскольку функции двух ступеней 20, 21 различаются в отношении характеристик потока, который их пересекает, проблемы, которые обусловливают процедуру их проектирования, также различны.
Более конкретно, рабочее колесо 18 первой ступени 20, подвергающееся воздействию потока с низким давлением (сравнимым с давлением внешней среды, в которой работает движительное устройство 1), выполнено с возможностью предотвращения явления кавитации посредством ограничения NPSH (чистого положительного напора на всасывании), необходимого для насоса 11, и, при прочих равных условиях, посредством строгого контроля скоростей потока в относительной системе координат на вершине. Следовательно, рабочее колесо 18 первой ступени 20 выполняет функцию «предварительного нагнетательного устройства с антикавитационным эффектом», т. е. «усилителя», вводя в него относительно небольшую долю напора насоса 11, чтобы предотвратить опасность срыва потока с лопасти и, одновременно, чтобы предотвратить опасность кавитации. Рабочее колесо 18 второй ступени 21, которое подвергается воздействию потока, давление которого было повышено ранее, и принимает на себя нагрузку более высокого уровня напора, в частности, выполнено с возможностью противодействовать срыву потока с лопасти. Такая вторая ступень 21 выполняет задачу функции фактической мощности.
Предпочтительно, со ссылкой, в частности, на примеры по фиг. 1 и фиг. 2, силовая установка 1 содержит по меньшей мере один снабженный лопастями диффузор 22, прикрепленный к корпусу 4 обтекателя 2, который расположен внутри транспортного канала 7 ниже по потоку от рабочего колеса 18 насоса 11 относительно направления VF движения выходного потока. В частности, что касается вариантов осуществления, проиллюстрированных на фиг. 1 и фиг. 2, то два снабженных лопастями диффузора 22 предусмотрены по одному для каждой ступени 20, 21 и расположены ниже по потоку от рабочих колес 18 соответствующих ступеней 20, 21.
Каждый снабженный лопастями диффузор 22 выполнен с возможностью транспортировки текучей среды, нагнетаемой посредством рабочего колеса 18, в осевом направлении вдоль направления X протяженности корпуса 4.
В частности, снабженный лопастями диффузор 22 имеет функцию по существу гашения касательной составляющей скорости текучей среды и ее транспортировки в осевом направлении.
Преимущественно силовая установка 1 содержит несколько впускных направляющих лопаток 23, прикрепленных к корпусу 4 обтекателя 2 и размещенных внутри транспортного канала 7 между впускной секцией 8 корпуса 4 и насосом 11, в частности, внутри динамического заборника 12.
Такие впускные направляющие лопатки 23 выполнены с возможностью поворота текучей среды в соответствии с по меньшей мере одной касательной составляющей скорости относительно вращения рабочего колеса 18 насоса 11 вокруг оси Y вращения.
Более подробно впускные направляющие лопатки 23 содержат несколько неподвижных лопастей, расположенных выше по потоку от рабочего колеса 18, в частности, первой ступени 20 насоса 11. Функцию таких впускных направляющих лопаток 23, в дополнение к усилению конструкции, можно сравнить с функцией впускной направляющей. В таком случае впускным направляющим лопаткам 23 может быть придана форма посредством аэродинамических профилей, которые являются симметричными или имеют криволинейную среднюю линию. В обоих случаях впускные направляющие лопатки 23 имеют функцию поворота течения текучей среды, придавая ему касательную составляющую скорости на входе в рабочее колесо 18 первой ступени 20, с целью уменьшения величины скорости потока в относительной системе координат на входе в рабочее колесо 18 такой первой ступени 20, что положительно влияет на срыв потока и кавитационные характеристики насоса 11.
Преимущественно силовая установка 1 содержит по меньшей мере один двигатель, функционально соединенный с движителем 3 для приведения в действие насоса 11 последнего. В частности, двигатель функционально соединен с рабочим колесом 18 насоса 11, чтобы заставить его вращаться вокруг своей оси Y вращения.
Двигатель силовой установки 1 предпочтительно электрического типа и может быть преимущественно соединен с рабочим колесом 18 насоса 11 посредством механических передач (аналогично движительным системам) или посредством прямого привода и, в частности, в конфигурации ободного привода (подробно описанной ниже в настоящем документе).
В частности, указанный электродвигатель может иметь бортовую конфигурацию, в которой двигатель расположен в пределах днища судна и соединен с рабочим колесом 18 насоса 11 посредством механических передач, или электродвигатель может иметь забортную конфигурацию, в которой двигатель расположен снаружи днища судна и, в частности, внутри обтекателя 2. Например, в забортной конфигурации электродвигатель может быть расположен внутри ступицы 24 рабочего колеса 18 (в случае рабочего колеса 18 со ступицей) или вокруг самого рабочего колеса 18 в конфигурации ободного привода (как в случае рабочего колеса со ступицей, так и в случае рабочего колесо без ступицы).
В частности, что касается примеров по фиг. 2 и фиг. 4, то электродвигатель в конфигурации с ободным приводом содержит кольцевой статор 25, прикрепленный к корпусу 4 обтекателя 2 и расположенный вокруг рабочего колеса 18 соосно с осью Y вращения последнего, и кольцевой ротор 26, который установлен с возможностью вращения внутри транспортного канала 7 корпуса 4, расположен соосно с осью Y вращения и содержит лопасти 19 рабочего колеса 18, прикрепленного к нему. Ротор 26 связан со статором 25 таким образом, что, когда на последний подается электрический ток, он создает магнитное поле, которое вращает ротор 26 (и, следовательно, рабочее колесо 18) вокруг оси Y вращения, в соответствии с известным принципом работы электродвигателей. Предпочтительно, в случае рабочего колеса 18, имеющего тип, в котором отсутствует ступица, ротор 26 связан с периферийным кольцом самого рабочего колеса 18 или составляет такое периферийное кольцо.
Предпочтительно, в случае нескольких насосов или насоса 11 с несколькими ступенями, силовая установка 1 может содержать несколько двигателей, функционально независимых, каждый из которых соединен с рабочим колесом 18 соответствующей ступени 20, 21 насоса 11, чтобы настроить работу двух ступеней 20, 21 так, чтобы настроить описанные выше конкретные функции последних (в частности, антикавитацию и мощность).
Преимущественно каждое рабочее колесо 18 может независимо приводиться в действие соответствующим электродвигателем, так что крутящий момент, передаваемый на рабочее колесо 18 первой ступени 20, может быть независимым от крутящего момента, подаваемого на рабочее колесо 18 второй ступени 21, что, таким образом, обеспечивает оптимальное управление передачей мощности во время переходных режимов работы движителя 3 или в скоростных условиях плавания/передвижения, которые отличаются от номинальных условий.
Ниже в настоящем документе несколько возможных вариантов осуществления настоящего изобретения подробно описаны и изображены на прилагаемых фигурах.
На фиг. 1 изображен первый вариант осуществления настоящего изобретения, в котором рабочие колеса 18 насоса 11 снабжены ступицей 24, на которой прикреплены соответствующие лопасти 19. В частности, в таком первом варианте осуществления обтекатель 2 снабжен неподвижными лопастями снабженного лопастями диффузора 22.
Преимущественно, что касается примера по фиг. 1, то каждая из двух ступеней 20, 21 насоса 11 состоит из последовательности, состоящей из рабочего колеса 18 (снабженного лопастями) и кольцевого узла из неподвижных лопастей, которые действуют как снабженный лопастями диффузор 22. Преимущественно лопастям снабженного лопастями диффузора 22 обеих ступеней 20, 21 придают форму с использованием сечений лопастей, образованных специально разработанными аэродинамическими профилями.
Приведение в действие двух рабочих колес 18 может осуществляться посредством привода механической передачи (например, того типа, который используется в движительных системах) или предпочтительно и альтернативно посредством системы прямого привода с помощью электродвигателей снаружи обтекателя 2 или внутри него. В последнем случае электродвигатель может быть вмещен внутри ступицы 24 рабочего колеса 18, и передача движения может происходить с включением редукционных элементов или без него. Тем не менее, что касается возможных вариантов осуществления, то другое возможное размещение электродвигателя все еще может быть внутри обтекателя 2, расположенного снаружи рабочих колес 18 и соединенного с ними (с использованием ободного привода).
Обозначенная таким образом двухступенчатая конфигурация позволяет получить течение текучей среды, которое ниже по потоку от снабженного лопастями диффузора 22 второй ступени 21 расположено в осевом направлении, максимально повышая пропульсивный коэффициент полезного действия силовой установки 1. В такой конфигурации по существу осесимметричная передняя секция 13 динамического заборника 12 имеет функцию направления потока от впускной секции 8 обтекателя 2 к поверхности раздела с рабочим колесом 18 первой ступени 20, обеспечивая подходящее замедление течения с последующим восстановлением статического давления и одновременно с минимальными перепадами давления и минимальным уровнем искажения потока (сведены к минимуму неравномерности течения, поступающего в рабочее колесо 18). Кроме того, выходное сопло 14, размещенное ниже по потоку от второй ступени 21, выполняет функцию ускорения течения под давлением от рабочего колеса 18 второй ступени 21 до значений скорости, значительно превышающих скорость плавания/передвижения, что, таким образом, позволяет получить реактивный эффект, обеспечивающий высокую скорость движения (более 30–40 узлов).
В соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, изображенным на фиг. 2, рабочее колесо 18 насоса 11 не имеет ступицы (без ступицы). В частности, также в таком втором варианте осуществления обтекатель 2 снабжен неподвижными лопастями снабженного лопастями диффузора 22.
Преимущества конфигурации без ступицы рабочего колеса 18 будут ясны в свете следующих соображений. При забортной конфигурации силовой установки 1 настоятельные требования к радиальному размеру обтекателя 2 могут обусловливать слишком узкие размеры ступицы рабочего колеса 18. Действительно, при одинаковом значении расхода (как указано, оно должно быть значительным) любая попытка уменьшить главную секцию движителя 3 для одновременного уменьшения его гидродинамического сопротивления при продвижении может в некоторых случаях привести к резкому и опасному уменьшению размера ступицы: на самом деле конфигурация течения внутри насоса 11, например, согласно модели «свободного вихря», будет означать чрезмерный угловой поворот относительного течения в зоне ступицы, таким образом подвергая прилегающие к ней аэродинамические профили лопастей опасности срыва потока с лопасти. В то же время существует возможная опасность кавитации, которая может легко задеть лопастную систему в вершине, когда на текучую среду влияют относительные скорости, которые тем выше, чем выше удельная скорость насоса, как это обычно происходит при высоких значениях расхода и рабочих скоростях вращения, которые также являются относительно высокими (если желательно избежать использования редуктора или по меньшей мере ограничить его степень редукции). Также в этом отношении конфигурация течения в соответствии с моделью свободного вихря, т. е. вихревые распределения, сравнимые с легким принудительным вихрем, оказалась довольно «жесткой», что дает небольшие запасы для ограничения NPSH, необходимого для насоса.
По вышеупомянутым причинам, а также на основании других критериев, таких как, например, возможность легко извлекать относительно объемные объекты, которые проникли внутрь движителя 3, или на основании критериев, направленных на снижение шума движителя 3, конфигурация рабочего колеса 18 насоса 11, которая не имеет ступицы (без ступицы), является особенно преимущественной; один ее пример представлен вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, изображенным на фиг. 2.
Преимущественно также в таком втором варианте осуществления предусмотрены предпочтительно две ступени 20, 21 насоса 11, каждая из которых состоит из последовательности, состоящей из рабочего колеса 18 (снабженного лопастями) и кольцевого узла из неподвижных лопастей, которые действуют как снабженный лопастями диффузор 22. При отсутствии ступицы для вмещения механического приводного вала для передачи движения рабочим колесам 18 в этом случае приведение в действие двух рабочих колес 18 происходит посредством системы с электродвигателями. В примере по фиг. 2 изображено решение такого типа, как ободной привод, уже известное в данной области техники, в котором ротор 26 электродвигателя действует как опора для размещения лопастей 19 рабочего колеса 18. В частности, лопасть 19 рабочего колеса 18 одной или более ступеней 20, 21 закреплена у своего основания за одно целое с поверхностью кольца ротора 26 электродвигателя, в то время как статор 25 электродвигателя вмещен внутри корпуса 4 обтекателя 2. Таким образом, лопасти 19 рабочего колеса 18, вместо того чтобы быть за одно целое установленными на ступице и проходить в радиальном направлении от центра последней к периферии, как в обычном осевом турбонасосе, за одно целое прикреплены к кольцу ротора 26 и проходят в направлении, противоположном предыдущему, т. е. по существу снаружи внутрь. Преимущественно в решении без ступицы, проиллюстрированном во втором варианте осуществления по фиг. 2 (и в четвертом варианте осуществления, изображенном на фиг. 4, обсужденном ниже в настоящем документе), лопасти 19 рабочего колеса 18 оканчиваются вблизи конечной и ненулевой радиальной высоты, причем конец (вершина) имеет аэродинамические профили, расположенные на воображаемой поверхности по существу цилиндрического типа.
Предпочтительно также в вышеуказанном втором варианте осуществления по фиг. 2 насос 11 имеет двухнасосную конфигурацию или конфигурацию двухступенчатого насоса, которая позволяет легко получать течение, которое ниже по потоку от снабженного лопастями диффузора 22 второй ступени 21 расположено в осевом направлении, максимально повышая пропульсивный коэффициент полезного действия силовой установки 1.
Также в таком втором варианте осуществления по фиг. 2 динамический заборник 12 и выходное сопло 14 позволяют получить технические эффекты и преимущества, указанные выше, например, при обсуждении первого варианта осуществления по фиг. 1.
Следовательно, предложенное таким образом настоящее изобретение достигает поставленных ранее целей.
На фиг. 3 и фиг. 4, соответственно, изображены третий и четвертый варианты осуществления настоящего изобретения, в которых два рабочих колеса 18 насоса 11 находятся в конфигурации встречного вращения, соответственно, с рабочими колесами 18, имеющими тип, в котором присутствует ступица (пример по фиг. 3), и тип, в котором отсутствует ступица (пример по фиг. 4).
Такие третий и четвертый варианты осуществления для общих характеристик основаны на принципах работы и конструктивных соображениях, уже в полной мере упомянутых и описанных в предыдущих абзацах и подробно рассмотренных в обсуждении первого и второго предпочтительных вариантов осуществления.
Преимущественно в вышеуказанных третьем и четвертом предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения два рабочих колеса 18 насоса 11 вращаются в противоположном направлении движения относительно друг друга (рабочие колеса встречного вращения), что, таким образом, позволяет исключить узлы снабженных лопастями диффузоров 22, которые присутствуют в примерах по фиг. 1 и фиг. 2. Таким образом, можно получить концентрацию напора, значительно уменьшающую осевую протяженность движителя 3, с очевидными положительными эффектами с точки зрения уменьшения веса и габаритов. В качестве дополнительного преимущества решение, оснащенное рабочими колесами 18 встречного вращения, позволяет почти полностью выпрямить (устранить завихрение) абсолютное течение, выходящее из рабочего колеса 18 второй ступени 21, которая, таким образом, расположена почти параллельно направлению продольной оси обтекателя 2, с явными преимуществами с точки зрения пропульсивного коэффициента полезного действия. Также при использовании рабочих колес 18 встречного вращения конфигурация рабочего колеса 18 насоса 11, которая не имеет ступицы (без ступицы), является особенно преимущественной, причем ее пример представлен в четвертом варианте осуществления, изображенном на фиг. 4.
Преимущественно можно полностью исключить снабженные лопастями диффузоры, как представлено в примерах по фиг. 3 и фиг. 4, или можно осуществить выборочное исключение, т. е. исключить только один или более снабженных лопастями диффузоров 22, присутствующих в примерах по фиг. 1 и фиг. 2, таким образом получая результаты, которые, в свою очередь, являются новыми и отличающимися вариантами по сравнению с тем, что описано для первого и второго предпочтительных вариантов осуществления, проиллюстрированных на фиг. 1 и фиг. 2, и по сравнению с тем, что описано для третьего и четвертого предпочтительных вариантов осуществления, проиллюстрированных на фиг. 3 и фиг. 4.
Следовательно, настоящее изобретение достигает поставленных ранее целей как в описанных выше предпочтительных вариантах осуществления, так и во всех возможных вариантах, вытекающих из описанного выше.
1. Силовая установка (1) с забортным водометом для высокоскоростных морских транспортных средств, которая содержит:
- обтекатель (2), содержащий корпус (4) гидродинамической формы, который проходит в осевом направлении в соответствии с направлением (X) протяженности между передним концом (5) и задним концом (6) и снабжен транспортным каналом (7), который проходит вдоль указанного направления (X) протяженности между впускной секцией (8), расположенной на указанном переднем конце (5), и противоположной выпускной секцией (9), расположенной на указанном заднем конце (6); причем указанный обтекатель (2) предназначен для соединения с внешней частью днища судна, чтобы быть погруженным в текучую среду, в которой указанное судно должно осуществлять продвижение;
- движитель (3), расположенный внутри транспортного канала (7) указанного корпуса (4) и приводимый в действие для обусловливания движения в конкретном направлении (V1) продвижения, которое является по существу поперечным впускной секции (8) указанного корпуса (4);
при этом:
- указанный движитель (3) содержит насос (11), приводимый в действие для создания потока указанной текучей среды через указанный транспортный канал (7) в соответствии с направлением (VF) движения выходного потока, которое проходит от указанной впускной секции (8) к указанной выпускной секции (9); при этом указанный насос (11) снабжен по меньшей мере одним рабочим колесом (18), имеющим ось (Y) вращения, параллельную направлению (X) протяженности указанного корпуса (4);
- указанный обтекатель (2) содержит:
- динамический заборник (12), который содержит по меньшей мере одну переднюю секцию (13) указанного корпуса (4); при этом указанная передняя секция (13) проходит в осевом направлении вдоль указанного направления (X) протяженности между указанной впускной секцией (8) и указанным насосом (11) и имеет проходные сечения, поперечные указанному направлению (X) протяженности, увеличивающиеся в соответствии с указанным направлением (VF) движения выходного потока таким образом, чтобы вызвать в указанном динамическом заборнике (12) снижение локальной скорости указанной текучей среды и повышение давления указанной текучей среды;
- выходное сопло (14), которое содержит по существу осесимметричную заднюю секцию (15) указанного корпуса (4); при этом указанная задняя секция (15) проходит в осевом направлении вдоль указанного направления (X) протяженности между указанным насосом (11) и указанной выпускной секцией (9) и имеет проходные сечения, поперечные указанному направлению (X) протяженности, уменьшающиеся в указанном направлении (VF) движения выходного потока таким образом, чтобы вызвать в указанном выходном сопле (14) повышение локальной скорости указанной текучей среды и снижение давления указанной текучей среды, что формирует реактивную струю, создающую тягу, выходящую из указанной выпускной секции (9);
- центральный элемент (16), содержащий промежуточную секцию (17) указанного корпуса (4); при этом указанная промежуточная секция (17) проходит вдоль указанного направления (X) протяженности между указанным динамическим заборником (12) и указанным выходным соплом (14), в своей внутренней части вмещает указанный насос (11) и имеет проходные сечения, поперечные указанному направлению (X) протяженности, имеющие постоянную площадь вдоль указанного направления (X) протяженности;
при этом передняя секция (13) указанного динамического заборника (12) соединена с внешней поверхностью корпуса (4) указанного обтекателя (2) посредством кромки (27) закругленной формы, которая определяет границу края впускной секции (8) указанного обтекателя (2); и
при этом рабочее колесо (18) указанного насоса (11) снабжено лопастями (19), имеющими аэродинамический профиль с увеличивающейся хордой, которая увеличивается в зависимости от радиуса указанного рабочего колеса (18).
2. Силовая установка (1) по п. 1, отличающаяся тем, что впускная секция (8) указанного корпуса (4) лежит в плоскости пролегания, по существу ортогональной оси (Y) вращения указанного рабочего колеса (18).
3. Силовая установка (1) по любому из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что указанный насос (11) представляет собой осевой насос или полуосевой насос.
4. Силовая установка (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что указанный насос (11) содержит две или более ступеней (20, 21), размещенных последовательно вдоль направления (X) протяженности указанного корпуса (4), и каждая из таких ступеней (20, 21) снабжена соответствующим указанным рабочим колесом (18).
5. Силовая установка (1) по п. 4, отличающаяся тем, что указанный насос (11) содержит:
- первую ступень (20), выполненную с возможностью создания первого повышения давления указанной текучей среды;
- вторую ступень (21), размещенную между указанной первой ступенью (20) и указанным выходным соплом (14) и выполненную с возможностью создания второго повышения давления указанной текучей среды, превышающего указанное первое повышение давления.
6. Силовая установка (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что каждая указанная ступень (20, 21) содержит соответствующее указанное рабочее колесо (18), и рабочее колесо (18) указанной первой ступени (20) выполнено с возможностью вращения в направлении движения, противоположном направлению движения рабочего колеса (18) указанной второй ступени (21).
7. Силовая установка (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере один электродвигатель, функционально соединенный с указанным насосом (11) для приведения во вращение указанного рабочего колеса (18).
8. Силовая установка (1) по любому из пп. 5-7, отличающаяся тем, что она содержит несколько указанных электродвигателей, функционально независимых, каждый из которых соединен с рабочим колесом (18) соответствующей указанной ступени (20, 21) указанного насоса (11).
9. Силовая установка (1) по любому из пп. 7 или 8, отличающаяся тем, что указанный электродвигатель содержит:
- кольцевой статор (25), прикрепленный к указанному корпусу (4) соосно с осью (Y) вращения указанного рабочего колеса (18);
- кольцевой ротор (26), установленный с возможностью вращения внутри транспортного канала (7) указанного корпуса (4), расположенный соосно с указанной осью (Y) вращения, содержащий указанное рабочее колесо (18), прикрепленное к нему, и связанный с указанным кольцевым статором (25).
10. Силовая установка (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит снабженный лопастями диффузор (22), прикрепленный к корпусу (4) указанного обтекателя (2), расположенный внутри указанного транспортного канала (7) ниже по потоку от указанного рабочего колеса (18) относительно указанного направления (VF) движения выходного потока и выполненный с возможностью транспортировки указанной текучей среды в осевом направлении вдоль направления (X) протяженности указанного корпуса (4).
11. Силовая установка (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит несколько впускных направляющих лопаток (23), прикрепленных к корпусу (4) указанного обтекателя (2), размещенных внутри указанного транспортного канала (7) между указанной впускной секцией (8) и указанным насосом (11) и выполненных с возможностью поворота указанной текучей среды в соответствии с по меньшей мере одной касательной составляющей скорости относительно вращения указанного рабочего колеса (18).
12. Силовая установка (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что указанное рабочее колесо (18) содержит центральную ступицу (24), выровненную с указанной осью (Y) вращения, и несколько лопастей (19), прикрепленных к указанной центральной ступице (24).
13. Силовая установка (1) по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что указанное рабочее колесо (18) содержит:
- периферийное кольцо, проходящее вокруг указанной оси (Y) вращения, с возможностью вращения ограниченное в транспортном канале (7) указанного корпуса (4), чтобы вращаться вокруг указанной оси (Y) вращения;
- несколько лопастей (19), каждая из которых проходит между внутренним концом, направленным к указанной оси (Y) вращения, и внешним концом, прикрепленным к указанному периферийному кольцу.
