PL199901B1 - Pędnik strumieniowy statku morskiego - Google Patents

Abstract

Wynalazek pędnika strumieniowego statku morskiego ma obudowę dennikową wirnika przedniego osadzonego na rurze poboru mocy i przechodzącego za pośrednictwem skrzyni przekładniowej w rurę przekładniowo-obrotową wirnika tylnego. Obudowa pędnika jest połączona jarzmami złączonymi z dennikami teowymi z pawężą rufową, zaś w poziomie z wrę gami noś nymi rufy statku i został a wzmocniona z przodu wspornikami nośnymi łożyska wejściowego, zaś pośrodku wewnętrznym zładem denników teowych wsporników skrzyni przekładniowej i zakończona okrągłą zrębnicą wylotu pędnika ze wspornikami łożyska w piaście zwornikowej. Wirnik przedni ma obudowę ślimakową i jest osadzony na rurze poboru mocy z wewnętrznym przednim wałem nośnym pozostając zamocowany w łożysku wejściowym na wspornikach, po czym przechodzi przez skrzynię przekładniową i obraca się w części pozazębatej w łożyskach, zaś wał nośny jest zaparty stopką wału nośnego przedniego w skrzyni przekładniowej. Wirnik ryby ma także budowę ślimakową i jest osadzony na rurze przekładniowo-obrotowej z wewnętrznym tylnym wałem nośnym unieruchomionym stopką w skrzyni przekładniowej i zamkniętego piastą, tak iż cały zespół wirnika tylnego obraca się według proporcji przekładniowych na łożyskach skrzyni przekładniowej i łożysku piasty. Skrzynia przekładniowa jest włożona w układ wsporników środkowych pędnika i ma wewnętrzne ściany nośne wału poboru mocy i wału przekładniowo-obrotowego na łożyskach będących.....

Description

Opis wynalazku

Wprowadzenie maszyny parowej w konstrukcję statków morskich zapoczątkowało rozwój postępu w myśli technicznej odnoszącej się do sposobu wykorzystania mocy mechanicznych w celu osiągnięcia przez statki handlowe i pasażerskie pożądanych prędkości pływania. Do pierwszych wynalazków zewnętrznych czynników napędu wodnego zalicza się adaptację koła młyńskiego, które w układzie podwójnym były mocowane na wałach korbowych po obu stronach burty lub w układzie pojedynczym od strony rufy zanurzone w wodzie. Wynalazek śruby okrętowej zrewolucjonizował napęd statku morskiego. Lecz jednocześnie wydajność coraz doskonalej profilowanych śrub okrętowych nie pozostawała w żadnej proporcji względem rozwijających się konstrukcji okrętowych z całością wyposażenia oraz coraz doskonalszych technicznych rozwiązań maszyn napędu głównego. Jedna śruba, nawet najdoskonalej uformowana, nie wykorzystuje w pełni mocy zainstalowanych na statku morskim i z tej przyczyny koszty eksploatacji są 4 + 5-ciokrotnie zawyżone.

Efekty niewykorzystania pełnych mocy spostrzegli konstruktorzy dużych statków pasażerskich, w tym przede wszystkim armatorzy Cunarda, którzy zalecili wyposażanie transatlantyków w czterokrotne układy śrub napędu głównego. Znacznie lepszym, albowiem wykorzystującym w pełni moce napędu głównego, jest pędnik strumieniowy będący zespołem motorycznym maszyny głównej statku morskiego. W podstawowych założeniach konstrukcyjnych stanowi odwzorowanie lotniczych przepływowych silników elektrycznych (zgłoszenie wynalazku Samolot międzyplanetarny za nr. P257616 Urząd Patentowy Polskiej Rzeczypospolitej Ludowej), lecz w zastosowaniu okrętowym pędnik strumieniowy może okazać się zespołem motorycznym podatnym na współdziałanie z obecnie stosowanymi śrubami napędowymi. Osadzenie pędnika strumieniowego na wale napędu głównego winno obniżyć koszty eksploatacji maszyn od 4 do 5-ciu razy przy identycznych prędkościach pływania. Produkcja tanich w eksploatacji statków morskich oraz montaż pędników strumieniowych to ogromna szansa dla stoczni morskich o wielkich i chlubnych tradycjach.

Stały rozwój handlu morskiego żąda postępowych zmian w systemie napędu statków handlowych i pasażerskich. Wzrost cen paliw i energii kształtuje od dłuższego już czasu niekorzystne tendencje na rynkach żeglugowych. Uproszczone formy ich organizacji prowadzą zwykle do przyspieszonej dekapitalizacji jednostek i pogarszają bezpieczeństwo oraz higienę pracy na morzu. Oszczędności po stronie kosztów wynagrodzenia pracy nie splatają się z należytym zabezpieczeniem społecznym załóg oraz ich rodzin. Organizacja rynku pracy na morzu niesie w warunkach organizacji tanich bander długotrwałe rozłąki rodzin marynarskich lub wymusza przekładanie planów rodzinnych na dalsze lata. Natomiast obniżenie zużycia paliw i energii, a w perspektywie wyposażanie statków morskich w bardziej ekonomiczne maszyny napędu głównego, jest jednym z zasadniczych czynników przywrócenia korzystnych relacji między stawkami frachtowymi a kosztami przewozów morskich. Winny one służyć odbudowie narodowych lub integracyjnych struktur linii oceanicznych w zmienionych wszakże stosunkach własności i opierających się na mocnych filarach kapitału międzynarodowego oraz stałym dopływie zagranicznych technologii morskich do żeglugi handlowej w każdym kraju związanym gospodarczo z handlem drogą morską.

Wynalazek pędnika strumieniowego statku morskiego ma obudowę dennikową wirnika przedniego osadzonego na rurze poboru mocy i przechodzącego za pośrednictwem skrzyni przekładniowej w rurę przekładniowo-obrotową wirnika tylnego. Obudowa pędnika jest połączona jarzmami złączonymi z dennikami teowymi z pawężą rufową, zaś w poziomie z wręgami nośnymi rufy statku i została wzmocniona z przodu wspornikami nośnymi łożyska wejściowego, zaś pośrodku wewnętrznym zładem denników teowych wsporników skrzyni przekładniowej i zakończona okrągłą zrębnicą wylotu pędnika ze wspornikami łożyska w pieście zwornikowej. Wirnik przedni ma obudowę ślimakową i jest osadzony na rurze poboru mocy z wewnętrznym przednim wałem nośnym pozostając zamocowany w łożysku wejściowym na wspornikach, po czym przechodzi przez skrzynię przekładniową i obraca się w części pozazębatej w łożyskach, zaś wał nośny jest zaparty stopką wału nośnego przedniego w skrzyni przekładniowej. Wirnik tylny ma także budowę ślimakową i jest osadzony na rurze przekładniowo-obrotowej z wewnętrznym tylnym wałem nośnym unieruchomionym stopką w skrzyni przekładniowej i zamkniętego piastą, tak iż cały zespół wirnika tylnego obraca się według proporcji przekładniowych na łożyskach skrzyni przekładniowej i łożysku piasty. Skrzynia przekładniowa jest włożona w układ wsporników środkowych pędnika i ma wewnętrzne ściany nośne wału poboru mocy i wału przekładniowo-obrotowego na łożyskach będących na odcinku zębatowości zintegrowane zębatką

PL 199 901 B1 zachowania kierunku obrotów wirników oraz zostają poddane opływowi oleju kanałem doprowadzającym smar silnikowy do wszystkich ruchomych elementów.

Pędnik 1 strumieniowy jest określony geometrią stożka ściętego o podstawie A i wierzchołku B (fig. 1). Kąt nachylenia płaszczyzny bocznej wynosi α ~ 5°. Stożek pędnika 1 strumieniowego ma charakterystyczne wycięcie płaszczyzny dolnej na głębokości odcinka EG w przekroju maksymalnym, w rezultacie czego oś symetrii ulega także przesunięciu do góry o odcinek B'C umożliwiając wprowadzenie układu przekładniowego i równomierną pracę wirników 2, 3 przedniego oraz tylnego w pędniku 1. Równoległe przemieszczenie osi A'B' symetrii następuje na odcinku CD. Pędnik 1 strumieniowy jest złożony z dwu ślimakowych wirników 2 przedniego i wirnika 3 tylnego o geometrii zakreślonej wstępnie przez funkcje paraboliczne; każda o tej samej ogniskowej, mimośrodzie oraz wartościach kierownicy wynikających z położenia obu osi A'B' i CD symetrii oraz kąta α pochylenia płaszczyzny bocznej poszczególnych części wirujących. Parabole przekrojów wirnikowych są krzywymi określonymi równaniem kanonicznym y²=2px, p>0 i każda krzywa sprowadza się w izometrii układu xy współrzędnych, jak w układzie x'y, do tego samego równania. Każda parabola, którą oceniamy na przykładzie wirnika 2 tylnego, jest zbiorem wszystkich punktów odległych równo od punktu F nazywanego ogniskiem i prostej x' określonej jako kierownica, będąca zawsze linią równoległą do osi A'B' i CD symetrii nie przechodzącą nigdy przez punkty F ogniskowych. W rozważanej geometrii wirnika 2 tylnego ognisko ^para^boN jes^t dane równamem ^kanonⁱczn^ym o ws^półrz^ędn^yc^h F| — p,0 | i stanowi o jednakowym ukształtowaniu wszystkich pozostałych funkcji parabolicznych z szeregu górnego oraz łączących się wierzchołkami od dołu z obiema liniami symetryczności pędnika 1 strumieniowego. Wysmukłość każ, 1 , , 1 dej paraboli sprawia, iż w ciągu górnym kierownica x =--p , zaś w ciągu dolnym x = — p. Półprostą równoległą do osi paraboli w punkcie P nazywamy średnicą sprzężoną z kierunkiem cięciw równoległych, które odcięte płaszczyzną boczną stożka pędnika 1 strumieniowego, tworzą krawędź przecięcia się ramion dwu paraboli jako rand boczny obu wirników 2,3. Powierzchnia boczna pędnika 1 dana jest linią prostopadłą do stycznej poprzedniej paraboli w punkcie P i pozostaje względem wspomnianej średnicy sprzężonej pod kątem α, który obecnie stanowi kąt nachylenia łożysk krawędziowych obu wirników 2, 3 obiegających pokrycie wewnętrzne na szerokości denników 9 teowych wręg poprzecznych. Jeżeli zatem współczynnik kierunkowy cięciw wynosi m, natenczas równanie średnicy sprzężonej z tym kierunkiem jest postaci y = p/m, tak iż punkt P przerzutowany na osi CD symetrii wyznacza punkt M wierzchołkowy jednej z paraboli przesuniętego ciągu dolnego. Z uwagi na ten fakt,

PF _A iż-> 1, kierownica jest zawsze krzywą o mimośrodzie e = 1, zaś równania parametryczne paraΡΡ boli noszą postać x = f2, y = ^2 p-1, tG (- oo, o). Nachylenie stożka pędnika 1 o kąt α sprawia, że ramiona funkcji parabolicznych geometrii wirników 2, 3 stają się coraz krótsze, lecz jednocześnie o zachowanym skoku ślimakowym wyrażonym kątem β = 85° jako nachyleniem linii transmisji przewodzenia krętnego wody.

Rzut przestrzenny pędnika 1 strumieniowego jest wykonany w geometrii Monga i przedstawiony na rysunku technicznym (fig. 2) jeszcze bez rozdzielenia wirnika 2 przedniego od wirnika 3 tylnego. Skrętność przewodzenia ślimakowego jest tutaj wyraźnie dostrzegalna tak w części przedniej, jak i tylnej pędnika 1. Walory techniczne przestrzennej prezentacji zespołu wirnikowego wyrażają się ukazaniem rozkładu sił oraz momentów sił działających wewnątrz pędnika 1 w różnych warunkach pływania statku i stopni eksploatacji zespołu motorycznego na wale napędu głównego. Wszystkie siły i momenty sił są przenoszone w liniach osi A'B' oraz CD symetrycznych na równi z oddziaływaniem wirnikowym na płaszczyzny stożka ściętego. Wirniki 2, 3 zostają nałożone na zespoły rurowo-wałowe w osiach A'B' oraz CD symetrii i osadzone na pokryciu metalowym wewnętrznych płyt pędnika 1 strumieniowego. To zaś oznacza wymóg wysokiej precyzji wykrojów profili dennikowych w technice laserowej wysokich energii oraz wstępnego zgrzewania konstrukcji przed przystąpieniem do scalania budowy pędnika 1 w dotychczas stosowanych technologiach budownictwa okrętowego. Dotychczasowe technologie termiczne mogą być stosowane wyłącznie względem zewnętrznych części obudowy motorycznego zespołu strumieniowego. W ten sposób zgrzewany wstępnie pędnik 1 strumieniowy, by mógł być następnie bezbłędnie spawany na całej długości własnej konstrukcji, ma za zadanie nie tylko zapewnić bardzo dokładne dopasowanie części gnących oraz skręcających układ napędowy, lecz

PL 199 901 B1 przede wszystkim winien wypełniać funkcje przyspieszenia pędu wody i sprężenia jej ciśnienia na ujściu. Oba efekty zmiany dynamiki wody w pędniku 1 strumieniowym, które tak dokładnie ilustruje geometria przestrzenna Monga, nie ulegają w żadnym stopniu zmianie w warunkach technicznego podziału wirników 2, 3 przez konstrukcję skrzyni 4 przekładniowej osadzonej na wspornikach 5 dennikowych. Poza tym geometria fig. 2 ukazuje możliwość zmiany kąta β na kolejnych odcinkach skrętu ślimakowego wirników 2 i 3. Zmiany pędu i ciśnienia wody w pędniku 1 strumieniowym występują w następstwie zmiany stosunku A/B wraz z bardziej wydajnym doborem zmian wirnikowych profili technicznych. Profilowanie geometrii przestrzennej pędnika 1 strumieniowego musi być oparte na programowaniu matematycznym dynamiki wody o przeciętnym zasoleniu i ciężarze właściwym.

Skrętność wirnika 2 przedniego jest wyraźnie dostrzegalna w wykonaniu technicznym na fig. 3, przedstawiającej część frontalną pędnika 1 strumieniowego. Wirnik 2 przedni w postaci śruby ślimakowej ma aktualnie przeprowadzoną w osi symetrii na odcinku A'B' rurę 6 poboru mocy z wału maszyny głównej statku obracającej się na łożyskach dokładnie dopasowanego wału 7 nośnego. Układ rurowo-wałowy jest wykonany ze stali o podwyższonej sprężystości. Z przodu wirnik 2 obraca się na rurze 6 poboru mocy, której grubość ścianek dochodzi do 5 cm, w łożysku 8 wejściowym na nieruchomym wale 7 nośnym. Wał 7 nośny jest zaparty z przodu na wale maszyny głównej na łożyskach orbitalnych, zaś z tyłu przechodzi przez całą skrzynię 4 przekładniową i zostaje wprowadzony w prostokątne gniazdo mocowania stopką 25 wału nośnego. Nośność łożyska 8 wejściowego zapewniają czteroramienne wsporniki wykonane ze skrzyżowanych denników 9 teowych zespolonych pokryciem z płyt stalowych o znacznych grubościach przekrojów i sprężystości. Obudowa 11 pędnika 1 strumieniowego jest wykonana z denników 9 teowych z otworami ulżeniowymi lub pełnych. Denniki 9 teowe pełniące funkcje wręg poprzecznych obudowy 11 pędnika 1 są zgrzewane i następnie spawane z dużą precyzją w celu zapewnienia równomiernego przetaczania się krótkich łożysk tocznych rozmieszczonych odpowiednio na krawędziach wirnika 2 przedniego. Stateczność wirnika 2 zapewnia jego własna masa korpusu ślimakowego, stanowiąca wyprofilowane fragmenty dolnych partii wzorcowych funkcji parabolicznych. Korpus centralny wirnika 2 przedniego z połączoną z nim trwale rurą 6 poboru mocy, współpracujące z wałem 7 nośnym, stanowią odporny na działanie sił gnących i skręcających układ obrotowy. Dokładne i stałe kontaktowanie krawędzi wirnika 2 z pokryciem płytowym denników 9 teowych wręg obudowy 11 dopełnia stateczność tej części zewnętrznego układu motorycznego maszyny głównej.

Konstrukcja wirnika 3 tylnego jest identyczna z budową wirnika 2 przedniego. Zmniejszające się przekroje wirnika 2 przypominają, iż prędkość jego obrotów jest zwielokrotniona. Z tej też przyczyny profilowanie przekrojów parabolicznych centralnego korpusu śruby ślimakowej musi zapewniać stabilność trwałego montażu rury 13 przekładniowo-obrotowej zamocowanej w skrzyni 4 przekładniowej i obracającej się na odcinku CD na tylnym wale 14 nośnym unieruchomionym piastą w prostokątnym gnieździe skrzyni 4 i zamkniętym piastą 15 pędnika 1 na jego wyjściu. Obudowa 11 pędnika 1 na odcinku wirnika 3 tylnego ma zbliżoną konstrukcję i musi być wykonana w opisanej technologii produkcji. Denniki 9 teowe wręg muszą zapewniać stały i równomierny kontakt siły toczących się łożysk z krawędzi wirnika 3 tylnego. Zespolenie korpusu ślimakowego z rurą 13 przekładniowo-obrotową o podwyższonej sprężystości stali (grubość ścianek dochodzi tutaj także do 5 cm) zostaje ustateczniona na łożyskach w wale 14 nośnym odcinka CD. Mocowania skrzyni 4 przekładniowej mają łożyska 17 w piaście 15 i w systemie zębatek pędnika 1 strumieniowego. Wsporniki 16 piasty 15 identycznie jak przednie wsporniki 10 nośne łożyska 8 wejściowego, są zbudowane z denników 9 teowych i obudowane opływowo płytami stalowymi o podwyższonym module sprężystości. Cały układ krzyżowy wsporników 16 piasty 15 jest zamocowany w okrągłej zrębnicy 18 pędnika 1 strumieniowego.

Obudowa 11 pędnika 1 strumieniowego jest wzmocniona zagęszczonym zładem denników 9 teowych poprzecznych wręg przenoszących reakcje wzdłużników 19 skrzyni 4 przekładniowej. Wsporniki 5 są wykonane z wzdłużnych elementów 19 teowych zespolonych opływowymi poszyciami blaszanymi o podwyższonej sprężystości stali i przechodzących z układu przekładniowego na korpus obudowy 11. Wsporniki 5 skrzyni 4 przekładniowej są zbudowane w postaci zespołu skrzyżowanych zapór tworzących profile mieszczące system przekładniowy i skręcone z płytami 20 dennikowymi od strony zewnętrznej obudowy 11, co zapewnia możliwość ich bezinwazyjnej wymiany wraz ze wszystkimi częściami składowymi wirnika 3 tylnego. Skrzynia 4 przekładniowa ma kształt orzecha laskowego o wysokości dwukrotnie większej w porównaniu z największą szerokością i umieszczona jest w przystosowanych do niej owalnych formach skrzyżowanych wsporników 5. W skrzyni 4 przekładniowej jest umocowana od góry rura 13 przekładniowo-obrotowa wirnika 3 tylnego obracająca się na

PL 199 901 B1 łożyskach 21 skrzyni 4 przekładniowej zamocowanych w ściętych ścianach 22 wewnętrznych oraz w obudowie pozostając także na odcinku zębatowości przełożeń ustatecznioną przez wał 14 nośny tylny unieruchomiony prostokątną stopką 23 w skrzyni 4 przekładniowej. U dołu skrzyni 4 znajduje się rura 6 poboru mocy osadzona również na łożyskach 21 w ściankach 22 wewnętrznych i w samej skrzyni 4 przekładni mając odcinek zębatowości przekazu obrotów równy wyżej położonym zębatce 24 zachowania kierunku obrotu i geometrii zębatkowości rury 13 przekładniowo-obrotowej wirnika 3 tylnego. Zębatka 24 obraca się w niezależnych łożyskach w ścianie 22 wewnętrznej skrzyni 4. Współdziałanie walcowych przekładni zębatych jest ustatecznione przez wał 7 nośny przedni, przechodzący przez całą skrzynię 4 przekładniową, pozostając unieruchomiony przez stopkę 25 prostokątną w obudowie ściennej układu integrującego wirniki 2, 3 przedni i tylny. Obroty części zębatych rury 6 poboru mocy i rury 13 przekładniowo-obrotowej wirnika 3 tylnego z zębatką 24 zachowania kierunku obrotu ruchu wirników ślimakowych są objęte wymuszonym opływem oleju zasilającego ponadto wszystkie punkty łożyskowe w pędniku 1 strumieniowym, który zostaje wtłoczony przez kanały 26 wytworzone w obudowie skrzyni 4 przekładniowej i korespondujące z układem kanałowym w obudowie 11 pędnika 1 strumieniowego i w wspornikach 10, 5, 16 nośnych łożyska 8 wejściowego, skrzyni 4 przekładniowej i piasty 15. Skrzynia 4 przekładniowa jest od góry zamknięta pokrywą 27 wodoszczelną, pozwalającą na wymianę ściętych na krawędziach ścian 22 wewnątrz z elementami łożyskowymi po uprzednim wysunięciu wzdłużnych zespołów zębatkowych.

Figura 6 przedstawia pędnik 1 strumieniowy według złożonych fig. 3 i fig. 4 (prosta H przystawania figur 3 i 4) ukazując możliwość współdziałania danego układu motorycznego ze śrubą okrętową wyróżniającą się przeciętnie mniejszą średnicą, która zapewnia jednakże kształtowanie na wejściu wirnika 2 przedniego ciśnienia umożliwiającego maksymalne spowolnienie pracy siłowni okrętowej i dodatkowe oszczędności w zużyciu paliwa podczas eksploatacji statków morskich. Jakkolwiek całość konstrukcji pędnika 1 pozostaje w takich rozwiązaniach bez zmian, to jednak rura 6 poboru mocy musi ulec przedłużeniu do postaci części zębatej skrzyni przekładniowej łączącej dwie generacje techniczne napędu okrętowego.

Claims (5)

1. \W<^nal^aazk pęęnika strumienioweeo statku morskieeo j est, znamienny tym, że ma obudowę ((11 dennikową wirnika (2) przedniego osadzonego na rurze (6) poboru mocy i przechodzącego za pośrednictwem skrzyni (4) przekładniowej w rurę (13) przekładniowo-obrotową wirnika (3) tylnego.

2. Wynalazek pędnika strumieniowego według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowa (11) pędnika (1) jest połączona dennikami (9) teowymi z pawężą rufową i wręgami nośnymi rufy statku i została wzmocniona z przodu wspornikami (10) nośnymi łożyska (8) wejściowego, zaś pośrodku wewnętrznym zładem denników (9) teowych wsporników (5) skrzyni (4) przekładniowej i zakończona okrągłą zrębnicą (18) wylotu pędnika (1) ze wspornikami (16) łożyska (17) w piaście (15) zwornikowej.

3. \W^ⁿ^l^^^lk pędnika strumierdowego według 1, znamienny tym, że wirnik (2) pr^^c^ni ma budowę ślimakową i jest osadzony na rurze (6) poboru mocy z wewnętrznym przednim wałem (7) nośnym pozostając zamocowany w łożysku (8) wejściowym na wspornikach (10), po czym przechodzi przez skrzynię (4) przekładniową i obraca się w części pozazębatej w łożyskach (21), zaś wał (7) nośny jest zaparty stopką (25) wału (7) nośnego przedniego w skrzyni (4) przekładniowej.

4. \W/n^al^aaekpędnikasttumieniowego według zas^z. (, znamienny tym, że wimik(3) (ylny ma także budowę ślimakową i jest osadzony na rurze (13) przekładniowo-obrotowej z wewnętrznym tylnym wałem (14) nośnym unieruchomionym stopką (23) w skrzyni (4) przekładniowej i zamkniętego piastą (15), tak iż cały zespół wirnika (3) tylnego obraca się według proporcji przekładniowych na łożyskach (21) skrzyni (4) przekładniowej i łożysku (17) piasty (15).

5. Wynalazek pędnika strumierdowego według zas^z. 1, znamienny tym. że sl^r^^z^rna (4) przekładniowa jest włożona w układ wsporników (5) środkowych pędnika (1) i ma wewnętrzne ściany (22) nośne rury (6) poboru mocy i rury (13) przekładniowo-obrotowej na łożyskach (21) będąc na odcinku zębatowości zintegrowane zębatką (24) zachowania kierunku obrotów wirników (2, 3) oraz zostają poddane opływowi oleju kanałem (26) doprowadzającym smar silnikowy do wszystkich ruchomych elementów.