RU206479U1

RU206479U1 - MULTI-VANE PROPELLER

Info

Publication number: RU206479U1
Application number: RU2021104355U
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Пинчук; Виктор Клавдиевич Коржев; Леонид Иосифович Вишневский; Олег Павлович Орлов; Анатолий Радиславович Тогуняц
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2021-09-13

Abstract

Полезная модель относится к области судостроения и касается вопросов создания гребных винтов (ГВ) для всех типов судов и кораблей. Гребной винт многолопастного исполнения состоит из ступицы, лопастей, на концевых сечениях которых закреплена кольцевая обечайка, имеющая эллипсовидную форму профиля своего поперечного сечения.Технический результат полезной модели достигается за счет:- существенного увеличения количества лопастей ГВ более или равное 15. Это уменьшает влияние неравномерности набегающего потока на величину периодических гидродинамических сил, действующих на лопасти винта, и делает его пренебрежимо малым. Последнее способствует уменьшению виброактивности ГВ и, как следствие, понижению уровней шума ГВ в области низких и средних частот;- придания эллипсовидной формы профилю поперечных сечений обечайки, что способствует улучшению гидродинамических и кавитационных характеристик ГВ;- увеличения жесткости движителя путем установки по концевым сечениям лопастей ГВ круговой обечайки. Это снижает интенсивность гидроупругих колебаний элементов движителя, повышает их частоту и уменьшает шумоизлучения движителя в широкополосной/части спектра.The utility model relates to the field of shipbuilding and concerns the creation of propellers (GV) for all types of ships and ships. The multi-blade propeller consists of a hub, blades, on the end sections of which an annular shell is fixed, which has an elliptical shape of its cross-sectional profile. flow by the magnitude of the periodic hydrodynamic forces acting on the propeller blades, and makes it negligible. The latter contributes to a decrease in the vibroactivity of GW and, as a consequence, a decrease in GW noise levels in the region of low and medium frequencies; - imparting an elliptical shape to the profile of the cross-sections of the shell, which contributes to the improvement of the hydrodynamic and cavitation characteristics of the GW; - Increasing the rigidity of the propeller by installing GW along the end sections of the GW blades. circular shell. This reduces the intensity of hydroelastic vibrations of the propeller elements, increases their frequency and reduces the noise emission of the propeller in the broadband / part of the spectrum.

Description

Полезная модель относится к области судостроения и касается вопросов создания гребных винтов (ГВ) для всех типов судов и кораблей.The utility model relates to the field of shipbuilding and concerns the creation of propellers (GV) for all types of ships and ships.

Известны ГВ, состоящие из ступицы, лопастей с профилированными цилиндрическими сечениями и с плавной формой контура, (см. Вишневский Л.И., Тогуняц А.Р., «Корабельные лопастные движители. Новые технические решения результаты исследования». Судостроение. Санкт-Петербург, 2012 г, стр. 99, рис. 4.13).Known GW, consisting of a hub, blades with profiled cylindrical sections and with a smooth contour shape, (see Vishnevsky L.I., Togunyats A.R., "Ship blade propellers. New technical solutions, research results." Shipbuilding. St. Petersburg , 2012, p. 99, fig. 4.13).

Известна также модель ГВ (являющаяся прототипом настоящего предложения, см. фиг. 1), имеющая 9 лопастей с профилем сечений NACA-0016 с саблеобразной формой контура и установленной на концах лопастей круговой обечайкой (см. Вишневский Л.И., Тогуняц А.Р., Гидродинамические аспекты нетрадиционных лопастных движителей). Реноме. Санкт-Петербург, 2020 г, стр. 141, рис. 1, Гл. 5, ISBN 978-5-00125-238-2).Also known is the GW model (which is the prototype of the present proposal, see Fig. 1), which has 9 blades with a cross-sectional profile NACA-0016 with a saber-shaped contour and a circular shell installed at the ends of the blades (see Vishnevsky L.I., Togunyats A.R. ., Hydrodynamic aspects of unconventional vane propellers). Reputation. St. Petersburg, 2020, p. 141, fig. 1, Ch. 5, ISBN 978-5-00125-238-2).

Недостатком этой 9-ти лопастной модели ГВ является то, что количество лопастей винта определялось без учета наиболее полного использования возможностей винта в снижении его виброактивности. Известно, что с ростом числа лопастей ГВ будет уменьшаться влияние неравномерности поля скоростей в диске винта на формирование периодических гидродинамических сил, действующих на лопасти ГВ. С увеличением числа лопастей винта может возникнуть ситуация, когда порядковый номер последнего члена спектрального разложения поля скоростей набегающего на ГВ неравномерного потока окажется равным числу лопастей винта Тогда, если рассмотренная гармоника в поле скоростей будет иметь достаточно малую величину, то влияние неравномерности потока на величину гидродинамических сил, действующих на лопасти ГВ, будет пренебрежимо малым.The disadvantage of this 9-blade GW model is that the number of propeller blades was determined without taking into account the most complete use of the propeller's capabilities in reducing its vibration activity. It is known that with an increase in the number of HW blades, the influence of the unevenness of the velocity field in the propeller disk on the formation of periodic hydrodynamic forces acting on the HW blades will decrease. With an increase in the number of rotor blades, a situation may arise when the ordinal number of the last term of the spectral decomposition of the velocity field of the non-uniform flow incident on the GW turns out to be equal to the number of propeller blades.Then, if the considered harmonic in the velocity field has a sufficiently small value, then the influence of the non-uniformity of the flow on the magnitude of hydrodynamic forces acting on the blades of the GW will be negligible.

Вместе с тем размещение на ступице большого числа лопастей требует увеличения ее диаметра. Это необходимое увеличение диаметра ступицы ведет к потере КПД движителя. Особенно значительные потери величины этого КПД происходят при увеличении относительного размера ступицы более 0,5 (диаметр ступицы/диаметр ГВ). Компромиссным вариантом при увеличении числа лопастей является величина, равная 15. В этом случае относительный размер ступицы, как показывают выполненные проработки, не будет превосходить величину, равную 0,5. Такие решения относительно числа лопастей и диаметра ступицы позволят максимально возможно снизить виброактивность движителя и при этом не вызовут существенной потери его эффективности (КПД). Как известно, от числа лопастей зависит эффективность (КПД) гребного винта. С одной стороны, с увеличением их числа она уменьшается, в частности, из-за увеличения диаметра ступицы. С другой стороны, вследствие увеличения числа лопастей увеличивается эффективность в снижении уровней силового шума движителя, как известно, на лопастных и кратных ей частотах, (см. статью Пинчук А.Н, Коржев В.К, Вишневский Л.И. «Влияние увеличения числа лопастей судового лопастного движителя на его виброактивность при работе в неравномерном поле скоростей за корпусом судна». Санкт-Петербург, Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, Т 11 №2, 2019 г).At the same time, placing a large number of blades on the hub requires an increase in its diameter. This necessary increase in the hub diameter leads to a loss in the efficiency of the propeller. Especially significant losses in the value of this efficiency occur when the relative size of the hub increases by more than 0.5 (hub diameter / HW diameter). A compromise option with an increase in the number of blades is a value equal to 15. In this case, the relative size of the hub, as shown by the studies performed, will not exceed the value equal to 0.5. Such decisions regarding the number of blades and the hub diameter will make it possible to reduce the vibration activity of the propeller as much as possible and at the same time will not cause a significant loss of its efficiency (efficiency). As you know, the efficiency (efficiency) of the propeller depends on the number of blades. On the one hand, with an increase in their number, it decreases, in particular, due to an increase in the diameter of the hub. On the other hand, due to an increase in the number of blades, the efficiency in reducing the levels of power noise of the propulsion device increases, as is known, at blade and multiple frequencies, (see article Pinchuk A.N., Korzhev V.K, Vishnevsky L.I. “The effect of increasing the number of the blades of a ship's propeller for its vibration activity when operating in an uneven velocity field behind the hull of the ship. ”St. Petersburg, Bulletin of the State University of Marine and River Fleet named after Admiral S.O.

Таким образом, принятие решения о числе лопастей ГВ применительно к конкретному судну зависит от его назначения и тех задач, которые должны им решаться. Другими словами, в каждом конкретном случае должен находиться компромисс между эффективностью движителя и уровнями его шумоизлучения.Thus, making a decision on the number of blades of the GW in relation to a particular ship depends on its purpose and the tasks that must be solved by it. In other words, in each specific case, there must be a compromise between the efficiency of the propulsion unit and the levels of its noise emission.

Опыт и проработки, выполненные применительно к нижним объектам, показали, что число 15 является таким компромиссом. Они показывают (см. Фиг. 5), что увеличение числа лопастей более 15 ведет к неоправданному снижению эффективности движителя и, как следствие, к снижению дальности плавания объекта и к другим неоправданным потерям. При числе лопастей ГВ менее 15 приводит к повышению уровней низкочастотного шума, что приводит к его обнаружению в дальнем поле.Experience and studies carried out in relation to the lower objects have shown that the number 15 is such a compromise. They show (see Fig. 5) that an increase in the number of blades over 15 leads to an unjustified decrease in the efficiency of the propeller and, as a consequence, to a decrease in the object's cruising range and to other unjustified losses. When the number of HW blades is less than 15, the levels of low-frequency noise increase, which leads to its detection in the far field.

Отмеченное позволяет сделать заключение, что рассмотренный движитель (с увеличенным числом лопастей) может быть использован там, где акустические его качества и низкая вибрационная активность при работе в неравномерном поле скоростей играет исключительно важную роль.The aforementioned allows us to conclude that the considered propeller (with an increased number of blades) can be used where its acoustic qualities and low vibration activity when operating in an uneven velocity field plays an extremely important role.

Приведем еще один недостаток обсуждаемого прототипа ГВ, а именно, он связан с оптимизацией характеристик жесткости составной конструкции винт - обечайка, с целью предотвращения возникновения гидроупругих колебаний лопастей и обечайки движителя, а также для повышения частоты вибрации элементов движителя и уменьшения интенсивности его шумоизлучения в широкополосной части спектра.Here is another drawback of the discussed GW prototype, namely, it is associated with the optimization of the stiffness characteristics of the composite propeller - shell structure, in order to prevent the occurrence of hydroelastic vibrations of the blades and the propeller shell, as well as to increase the vibration frequency of the propeller elements and reduce the intensity of its noise emission in the broadband part. spectrum.

Отмеченные недостатки приводят к ухудшению гидродинамических и акустических качеств рассматриваемого прототипа. К сказанному следует добавить, что с точки зрения уменьшения виброактивности винта целесообразно увеличивать число лопастей Однако при этом возникающие технологические трудности из-за увеличенного числа лопастей изготовление многолопастных движителей до последнего времени сдерживалось их производством. В настоящее время такие трудности значительно преодолены, а потому открывается перспектива дальнейшего совершенствования гребных винтов за счет увеличения числа лопастей.The noted disadvantages lead to a deterioration in the hydrodynamic and acoustic qualities of the prototype in question. To the above, it should be added that from the point of view of reducing the vibration activity of the propeller, it is advisable to increase the number of blades.However, at the same time, the arising technological difficulties due to the increased number of blades, the manufacture of multi-blade propellers until recently was restrained by their production. At present, such difficulties have been significantly overcome, and therefore the prospect of further improvement of propellers opens up by increasing the number of blades.

С увеличением числа лопастей возникает проблема стыковки достаточно тонких концов лопастей к обечайке, устанавливаемой к концевым сечениям лопастей с целью повысить жесткость движителя, а также возникают трудности с устранением начальных стадий кавитации на концевых сечениях лопастей. Как показали исследования, эти сложности могут быть устранены за счет отработки конструктивных решений лопастей.With an increase in the number of blades, the problem of joining rather thin ends of the blades to the shell installed to the end sections of the blades in order to increase the rigidity of the propeller arises, and difficulties arise in eliminating the initial stages of cavitation at the end sections of the blades. Studies have shown that these difficulties can be eliminated by working out the design solutions of the blades.

Задачи, на решение которых направлена заявленная полезная модель:The tasks to be solved by the declared utility model:

- уменьшение нагрузки на отдельную лопасть винта за счет существенного увеличения количества лопастей более или равное 15. Это требование позволит уменьшить виброактивность движителя;- a decrease in the load on a separate propeller blade due to a significant increase in the number of blades more than or equal to 15. This requirement will reduce the vibration activity of the propeller;

- придание эллипсовидной формы профиля поперечных сечений круговой обечайки, установленной на торцевых сечениях лопастей ГВ, позволит улучшить гидродинамические и кавитационные характеристики движителя;- imparting an ellipsoidal shape to the profile of the cross-sections of the circular shell installed on the end sections of the blades of the GW, will improve the hydrodynamic and cavitation characteristics of the propeller;

- увеличение жесткости движителя за счет установки по концевым сечениям лопастей ГВ круговой обечайки будет способствовать уменьшению интенсивности гидроупругих колебаний элементов движителя, повышению их частоты, а также уменьшению интенсивности шумоизлучения движителя в широкополосной части спектра.- an increase in the rigidity of the propeller due to the installation of a circular shell along the end sections of the HW blades will contribute to a decrease in the intensity of hydroelastic vibrations of the propeller elements, an increase in their frequency, as well as a decrease in the intensity of noise emission from the propeller in the broadband part of the spectrum.

Сущность полезной модели поясняется следующим. За прототип был взят ГВ, общий вид которого представлен на Фиг. 1. Общий вид заявляемого ГВ со ступицей 1, лопастями 2 и обечайкой 3 представлен на Фиг. 2. Обратная сторона ГВ и место крепления обтекателя представлена на Фиг. 3. На Фиг. 4 представлены результаты сравнительных испытаний в кавитационной трубе (см. отчет ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Вып.№48367, 2015 г. ). По оси ординат приведены значения уровней шумоизлучения ГВ I дБ, а по оси абсцисс - частота шума ГВ f кГц. Испытания проводились при относительной поступи ГВ, равной J=0,97, числе оборотов ГВ: n=17,5 об/с. На Фиг. 5 представлена зависимость КПД л и снижение уровней шума на лопастной частоте Δf гребного винта от числа лопастей Z.The essence of the utility model is explained as follows. The GW was taken as a prototype, the general view of which is shown in Fig. 1. General view of the inventive HS with hub 1, blades 2 and shell 3 is shown in FIG. 2. The reverse side of the GW and the attachment point of the fairing is shown in FIG. 3. In FIG. 4 shows the results of comparative tests in a cavitation tube (see the report of FSUE "Krylov State Scientific Center", Issue No. 48367, 2015). The ordinate shows the values of the HW noise emission I dB, and the abscissa shows the frequency of the HW noise f kHz. The tests were carried out with a relative step of the hot water equal to J = 0.97, the number of revolutions of hot water: n = 17.5 rev / s. FIG. 5 shows the dependence of the efficiency l and the reduction of noise levels at the blade frequency Δf of the propeller on the number of blades Z.

Работа предлагаемого ГВ происходит следующим образом. Из-за увеличенного числа лопастей ГВ влияние неравномерности набегающего потока на величину периодических гидродинамических сил, действующих на лопасти винта, будет пренебрежимо малым (обоснование этого см. абзац «недостатки ГВ»). Отмеченное обстоятельство будет способствовать снижению виброактивности ГВ и, как следствие, понижению уровней шума ГВ в области низких и средних частот (снижение уровней шума в диапазонах частот 4-19 кГц и 62-80 кГц см. Фиг. 4). Придание профилю поперечного сечения обечайки эллипсовидной формы будет способствовать улучшению гидродинамических и кавитационных характеристик ГВ. Круговая обечайка увеличит жесткость движителя, что приведет к повышению частот его вибрации и уменьшению интенсивности шума ГВ в широкополосной части спектра. Компромиссным вариантом при увеличении числа лопастей является величина, равная 15 (Фиг. 5). В этом случае относительный размер ступицы, как показывают выполненные проработки, не будет превосходить величину, равную 0,5. Такие решения относительно числа лопастей и диаметра ступицы позволят максимально возможно снизить виброактивность движителя и при этом не вызовут существенной потери его эффективности (КПД).The work of the proposed GW is as follows. Due to the increased number of HW blades, the influence of the oncoming flow irregularity on the value of the periodic hydrodynamic forces acting on the propeller blades will be negligible (for the rationale for this, see the paragraph "GW drawbacks"). The noted circumstance will contribute to a decrease in the vibroactivity of the GW and, as a consequence, a decrease in the noise levels of the GW in the low and medium frequency range (a decrease in noise levels in the frequency ranges 4-19 kHz and 62-80 kHz, see Fig. 4). Giving the shell cross-sectional profile an elliptical shape will improve the hydrodynamic and cavitation characteristics of the HS. The circular shell will increase the rigidity of the propeller, which will lead to an increase in its vibration frequencies and a decrease in the intensity of the GW noise in the broadband part of the spectrum. A compromise option with an increase in the number of blades is a value equal to 15 (Fig. 5). In this case, the relative size of the hub, as shown by the studies performed, will not exceed the value equal to 0.5. Such decisions regarding the number of blades and the hub diameter will make it possible to reduce the vibration activity of the propeller as much as possible and at the same time will not cause a significant loss of its efficiency (efficiency).

Claims

1. A multi-blade propeller with an annular shell, characterized in that it has a number of blades greater than or equal to 15.

2. A multi-blade propeller according to claim 1, characterized in that the cross-sectional profile of the shell has an elliptical shape.