RU2222469C1 - Propulsion complex for underwater vehicle - Google Patents
Propulsion complex for underwater vehicle Download PDFInfo
- Publication number
- RU2222469C1 RU2222469C1 RU2002112204/11A RU2002112204A RU2222469C1 RU 2222469 C1 RU2222469 C1 RU 2222469C1 RU 2002112204/11 A RU2002112204/11 A RU 2002112204/11A RU 2002112204 A RU2002112204 A RU 2002112204A RU 2222469 C1 RU2222469 C1 RU 2222469C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- propeller
- nozzle
- angle
- hull
- speed
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
- Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области судовых движителей, а более конкретно к области движителей для подводных аппаратов, и может быть использовано на скоростных, тихоходных и позиционирующих подводных объектах для улучшения их пропульсивных качеств и компенсации кренящего момента, вызванного работой двигательно-движительного комплекса. The invention relates to the field of ship propulsion, and more particularly to the field of propulsion for underwater vehicles, and can be used on high-speed, low-speed and positioning underwater objects to improve their propulsive qualities and compensate for heeling moment caused by the work of the propulsion and propulsion system.
Известны судовые движительные комплексы аналогичного назначения. Например, водометный движитель по а. с. 989224/27-11 от 29.11.67 содержит водопроточный канал с осевым насосом, контрпропеллером и обтекателем, у которого водопроточный канал образован с внутренней стороны ступицами осевого насоса и контрпропеллера, а с наружной стороны цилиндрической либо конической поверхностью кольцевого крыла, обращенного выпуклой стороной наружу. При этом водопроточный канал выполняется сужающимся и превышающим осевую протяженность лопастей насоса и контрпропеллера в 1...1,2 раза, а хорда кольцевого крыла устанавливается под углом от 0o до 17o к осевому направлению. Однако, как известно из теории крыла (см., например, Основы теории корабля, А.В. Герасимов, А. И. Пастухов, В.И. Соловьев, М.: Военное издательство МО СССР, 1958 г., 57, стр. 265), на кольцевом крыле возникает подъемная сила, направленная в сторону выпуклой поверхности крыла и перпендикулярная к направлению скорости потока перед крылом. За счет сужения потока в кормовой части подводного аппарата проекция этой силы на ось движителя направлена в сторону, противоположную движению аппарата, и, суммируясь с силой гидродинамического сопротивления кольцевого крыла, дает значительную величину, существенно снижающую пропульсивные качества комплекса.Known ship propulsion systems of a similar purpose. For example, a jet propulsion unit along a. from. 989224 / 27-11 of 11.29.67 contains a water-flow channel with an axial pump, a counter-propeller and a cowl, in which a water-flow channel is formed on the inside by the hubs of the axial pump and the counter-propeller, and on the outside by a cylindrical or conical surface of the annular wing facing outward from the convex side. In this case, the water flow channel is narrowed and exceeds the axial length of the pump and counterpropeller blades by 1 ... 1.2 times, and the chord of the ring wing is set at an angle from 0 o to 17 o to the axial direction. However, as is known from wing theory (see, for example, Fundamentals of Ship Theory, A.V. Gerasimov, A.I. Pastukhov, V.I. Soloviev, M .: Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR, 1958, 57, p. . 265), on the annular wing there is a lifting force directed towards the convex surface of the wing and perpendicular to the direction of flow velocity in front of the wing. Due to the narrowing of the flow in the aft part of the underwater vehicle, the projection of this force on the axis of the mover is directed in the direction opposite to the movement of the vehicle, and, being combined with the hydrodynamic resistance of the annular wing, it gives a significant value that significantly reduces the propulsive qualities of the complex.
Более близким к предлагаемому изобретению аналогом является движительный комплекс типа "гребной винт в направляющей насадке", описанный в ряде учебников и монографий (см. , например, Судовые движители, Л.С. Артюшков, А.Ш. Ачкинадзе, А. А. Русецкий, Л. : Судостроение, 1988 г., 59, стр. 245). У движительных комплексов этого типа, принятых в качестве прототипа, насадка представляет собой кольцевое крыло, обращенное выпуклой стороной внутрь проточного канала, образованного ступицей гребного винта и насадкой. При этом отношение длины насадки к диаметру винта составляет 0,6...0,8, а относительное расстояние от входа в насадку до условного диска винта составляет 0,35...0,375 от длины насадки. Преимуществом движительного комплекса, выбранного в качестве прототипа, по сравнению с рассмотренным ранее аналогом является наличие дополнительной силы тяги на направляющей насадке, которая возникает при коэффициенте нагрузки движителя, равном 2,0, и растет с увеличением этого коэффициента. Однако движители этого типа не содержат конструктивных элементов для компенсации кренящего момента, возникающего на корпусе судна или подводного аппарата при работе движительно-двигательной установки, что недопустимо для плавающих объектов с малым коэффициентом остойчивости, каким являются необитаемые и, особенно, скоростные подводные аппараты. Кроме того, движители скоростных подводных аппаратов, как правило, имеют коэффициент нагрузки меньше 1,0, вследствие чего использование на них движителя-прототипа не дало бы положительного эффекта в пропульсивных качествах, а увеличение скоростей в зоне гребного винта, вызванное наличием насадки, привело бы к ухудшению его кавитационных характеристик. Closer to the proposed invention, the analogue is a propulsion system of the type "propeller in the guide nozzle", described in a number of textbooks and monographs (see, for example, Ship propulsion systems, L.S. Artyushkov, A.Sh. Achkinadze, A.A. Rusetskiy , L.: Shipbuilding, 1988, 59, p. 245). In propulsion systems of this type, adopted as a prototype, the nozzle is an annular wing facing the convex side inward of the flow channel formed by the propeller hub and nozzle. The ratio of the length of the nozzle to the diameter of the screw is 0.6 ... 0.8, and the relative distance from the entrance to the nozzle to the conditional disk of the screw is 0.35 ... 0.375 of the length of the nozzle. The advantage of the propulsion system, selected as a prototype, in comparison with the analogue considered earlier is the presence of additional traction force on the guide nozzle, which occurs when the propulsion load factor is 2.0, and grows with this coefficient. However, movers of this type do not contain structural elements to compensate for heeling moment arising on the hull of a vessel or underwater vehicle during the operation of a propulsion system, which is unacceptable for floating objects with a low stability coefficient, such as uninhabited and, especially, high-speed underwater vehicles. In addition, the propellers of high-speed underwater vehicles, as a rule, have a load factor of less than 1.0, as a result of which the use of a prototype propulsion device would not have a positive effect in propulsive qualities, and an increase in speeds in the propeller area caused by the presence of a nozzle would lead to the deterioration of its cavitation characteristics.
Задачей предлагаемого устройства является повышение пропульсивных качеств одиночного гребного винта при сохранении его кавитационных характеристик и обеспечении компенсации кренящего момента от работы гребного винта. The objective of the proposed device is to increase the propulsive qualities of a single propeller while maintaining its cavitation characteristics and providing compensation for heeling moment from the operation of the propeller.
Для выполнения поставленной задачи проточная часть движителя, состоящего из гребного винта, кольцевой насадки с профилем, обращенным выпуклой стороной внутрь кольца, и устройства для крепления насадки к корпусу, имеющему осесимметричную сужающуюся часть, выполняется в виде кольцевого канала, образованного с внутренней стороны сужающейся частью корпуса аппарата, а с наружной стороны выпуклой частью профиля насадки, причем угол наклона наружной поверхности насадки выбирается на 5o...10o меньше, чем угол наклона образующей корпуса. Гребной винт располагается в выходной части проточного тракта или за его пределами, а устройство для крепления насадки к корпусу выполняется в виде решетки радиально расположенных профилей или пластин, образующих с направлением потока угол 10o...30o, отсчитываемый от направления движения в сторону вращения гребного винта.To accomplish this task, the flow part of the propeller, consisting of a propeller, an annular nozzle with a profile facing the convex side inward of the ring, and a device for attaching the nozzle to the housing having an axisymmetric tapering part, is made in the form of an annular channel formed on the inside of the tapering part of the housing apparatus, and from the outside the convex part of the nozzle profile, and the angle of inclination of the outer surface of the nozzle is selected by 5 o ... 10 o less than the angle of inclination of the generatrix of the housing. The propeller is located in the output part of the flow path or outside it, and the device for attaching the nozzle to the body is made in the form of a lattice of radially arranged profiles or plates forming an angle of 10 o ... 30 o with the direction of flow, counted from the direction of movement in the direction of rotation propeller.
Сущность изобретения пояснена на чертежах, где на фиг.1 показан движительный комплекс для подводного аппарата, а на фиг.2 изображены диаграммы скоростей и сил, возникающих при работе комплекса. The invention is illustrated in the drawings, where Fig. 1 shows a propulsion system for an underwater vehicle, and Fig. 2 shows diagrams of speeds and forces arising from the operation of the complex.
Движительный комплекс содержит гребной винт 1, расположенный за конической кормовой оконечностью корпуса 2 или на ее продолжении, направляющую насадку 3 в виде кольцевого крыла, обращенного выпуклой стороной внутрь насадки, и поддерживающих ее профилированных лопаток 4. Кольцевое крыло располагается над конической оконечностью корпуса, при этом угол конусности наружной поверхности крыла φн выбирается меньшим, чем угол конусности корпуса αк. Профилированные лопатки 4 устанавливаются внутренними концами на корпусе, а на их наружных концах крепится насадка 3. Выпуклая сторона лопаток обращена в сторону вращения винта, а плоская или вогнутая образует с осевым направлением положительный угол установки νзл, отсчитываемый от направления движения в сторону вращения винта. При этом угол атаки в каждом сечении лопатки и форма профиля рассчитываются таким образом, чтобы скорость закрутки потока в решетке лопаток была равна скорости закрутки потока в соответствующих сечениях гребного винта. Однако в тех случаях, когда требования к простоте изготовления более значимы, чем требования к коэффициенту полезного действия движителя, закручивающие лопатки могут устанавливаться под постоянным углом установки и иметь постоянную по высоте лопаток форму профиля. При этом необходимый для компенсации момента гребного винта угол установки лопаток определяется расчетным путем либо подбирается экспериментально.The propulsion system comprises a propeller 1, located behind the conical aft end of the
Предлагаемый движительный комплекс функционирует следующим образом (см. фиг. 2). При движении подводного аппарата с конической кормовой оконечностью поле скоростей вблизи кормы имеет осесимметричный характер, при этом линии тока в зоне расположения насадки отклоняются от осевого направления на угол βн, несколько меньший, чем угол конусности корпуса αк. В результате, если угол между хордой насадки и осевым направлением φн выбран меньшим, чем угол βн, на профиле насадки возникает положительная подъемная сила, направленная внутрь кольцевой насадки и перпендикулярная направлению скорости. Величина этой силы равна
где ρ - плотность воды,
W - величина скорости потока,
bн - длина хорды профиля насадки,
Су - коэффициент подъемной силы профиля насадки.The proposed propulsion system operates as follows (see Fig. 2). When moving an underwater vehicle with a conical aft tip, the velocity field near the stern is axisymmetric in nature, while the streamlines in the nozzle location zone deviate from the axial direction by an angle β n , slightly smaller than the hull taper angle α k . As a result, if the angle between the chord of the nozzle and the axial direction φ n is chosen smaller than the angle β n , a positive lifting force arises on the nozzle profile directed inward to the annular nozzle and perpendicular to the velocity direction. The magnitude of this force is equal to
where ρ is the density of water,
W is the value of the flow rate,
b n - the chord length of the nozzle profile,
With y - coefficient of lifting force of the nozzle profile.
Кроме подъемной силы на профиль насадки в направлении скорости 
Проекция результирующей этих двух сил на осевое направление, просуммированная по окружности насадки, представляет собой силу тяги, развиваемую насадкой. Она равна
Угол конусности кормовой части корпуса αк находится обычно в пределах 10o. . . 20o, что соответствует изменению угла βн в диапазоне 7o...17o. Значения коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля зависят от формы профиля и угла атаки. Проведенные расчеты по формуле (3) показали, что максимум положительной тяги насадки достигается, когда разница между углами конусности корпуса и насадки находится в пределах 5o...10o. При этом тяга, развиваемая насадкой, может составлять до 15...20% от упора гребного винта.In addition to the lifting force on the nozzle profile in the direction of speed
The projection of the resultant of these two forces on the axial direction, summed over the circumference of the nozzle, represents the traction force developed by the nozzle. She is equal
The angle of the taper of the aft hull α to is usually within 10 o . . . 20 o , which corresponds to a change in the angle β n in the range of 7 o ... 17 o . The values of the coefficients of lifting force and profile resistance depend on the profile shape and angle of attack. The calculations by formula (3) showed that the maximum positive thrust of the nozzle is achieved when the difference between the taper angles of the body and the nozzle is in the range 5 o ... 10 o . In this case, the thrust developed by the nozzle can be up to 15 ... 20% of the propeller stop.
Под действием решетки закручивающих лопаток на них возникает касательная составляющая, или скорость закрутки потока, Vtзл, вследствие чего скорость их обтекания отклоняется на угол βзл от плоскости, проходящей через ось движителя. На профиль лопатки в каждом сечении действует подъемная сила dRузл, перпендикулярная скорости Wзл, и сила сопротивления dRхзл в направлении этой скорости. Проекция результирующей этих сил на осевое направление, просуммированная по радиусу и числу лопаток, создает силу сопротивления закручивающего аппарата
а проекция на боковое направление - касательную силу dQзл, создающую момент
направленный в сторону, противоположную моменту, приложенному со стороны жидкости к гребному винту.Under the action of the lattice of twisting blades, a tangential component arises, or the swirl speed of the flow, V tzl , as a result of which their flow velocity deviates by an angle β zl from the plane passing through the axis of the mover. The blade profile in each section is affected by the lifting force dR knot perpendicular to the speed W zl and the drag force dR qzl in the direction of this speed. The projection of the resultant of these forces on the axial direction, summed over the radius and number of blades, creates a drag force of the twisting apparatus
and the projection on the lateral direction is the tangential force dQ zl , which creates the moment
directed in the direction opposite to the moment applied from the liquid side to the propeller.
Расчеты показывают, что момент на лопастях закручивающего аппарата, равный моменту на гребном винте на установившемся режиме работы, достигается при угле установки лопаток в пределах 10o...30o в зависимости от числа и ширины лопаток и параметров винта. При этом сопротивление закручивающих лопаток может составлять до 10... 15% от упора гребного винта.Calculations show that the moment on the blades of the twisting apparatus, equal to the moment on the propeller in the steady state of operation, is achieved when the angle of installation of the blades is within 10 o ... 30 o depending on the number and width of the blades and screw parameters. In this case, the resistance of twisting blades can be up to 10 ... 15% of the propeller stop.
Из теории гидродинамических решеток известно (см., например, Судовые движители, М.М. Жученко, В.М. Иванов, Л.: Судпромгиз, 1956, 5.7, стр. 100), что касательная скорость (скорость закрутки потока) за решеткой принимает значение 2Vtзл. На лопастях вращающегося гребного винта, наряду с осевой, вызванной скоростью, также возникает касательная составляющая Vt1, принимающая за винтом значение Vt2= 2Vt1. Условием оптимальности комплекса "закручивающий аппарат плюс гребной винт" является отсутствие закрутки потока за комплексом. Поэтому для выполнения этого условия скорость Vtзл в закручивающей решетке должна быть равна по величине и противоположна по направлению скорости Vt1 в диске гребного винта. Это может быть достигнуто расчетным путем при проектировании комплекса.From the theory of hydrodynamic lattices it is known (see, for example, Ship propulsion systems, M.M. Zhuchenko, V.M. Ivanov, L .: Sudpromgiz, 1956, 5.7, p. 100) that the tangential velocity (the swirl speed of the flow) behind the lattice assumes a value of 2V tzl . On the blades of a rotating propeller, along with the axial caused by the speed, a tangent component V t1 also arises, taking the value V t2 = 2V t1 behind the screw. The optimality condition for the complex "twisting apparatus plus propeller" is the absence of a flow swirl behind the complex. Therefore, to fulfill this condition, the speed V tzl in the twisting grate must be equal in magnitude and opposite in the direction of the speed V t1 in the propeller disk. This can be achieved by calculation when designing the complex.
Влияние предварительной закрутки потока с помощью закручивающей решетки профилей на работу гребного винта видно из диаграммы скоростей на лопастях гребного винта, показанной на фиг.2. На элемент лопасти в обращенном движении натекает поток со скоростью W, являющейся геометрической суммой трех составляющих:
- скорости, обусловленной вращением винта ω•z,
- поступательной скорости потока относительно винта Vp,
- скорости закрутки потока закручивающей решеткой профилей 2Vtзл.The effect of pre-swirling the flow using a swirling lattice of profiles on the operation of the propeller can be seen from the speed diagram on the propeller blades shown in Fig.2. A stream flows at a blade element in reverse motion with a speed W, which is the geometric sum of three components:
- speed due to the rotation of the screw ω • z,
- translational flow rate relative to the screw V p ,
- flow swirl speed with a twisting grating of profiles 2V tzl .
Наличие собственных вызванных скоростей гребного винта Va1 и Vt1 приводит к изменению направления относительной скорости, и ее угол с плоскостью вращения становится равным β1. Упор и момент элемента гребного винта определяются формулами
Коэффициент полезного действия элемента лопасти на радиусе г равен
Пунктиром на фиг.2 показана диаграмма скоростей на элементе лопасти без предварительной закрутки потока. В этом случае угол β1 между относительной скоростью вращения был бы значительно больше, чем при наличии закрутки. В то же время из формулы (8) очевидно, что уменьшение угла β1 при прочих равных условиях приводит к росту КПД элемента, а следовательно, и гребного винта в целом. Проведенные расчеты показывают, что это увеличение может составлять величину порядка 10%.The presence of intrinsic evoked speeds of the propeller V a1 and V t1 leads to a change in the direction of the relative speed, and its angle with the plane of rotation becomes equal to β 1 . The stop and torque of the propeller element are determined by the formulas
The efficiency of the blade element at a radius r is
The dotted line in figure 2 shows a speed diagram on the blade element without preliminary swirling of the flow. In this case, the angle β 1 between the relative rotation speed would be much larger than in the presence of a twist. At the same time, it is obvious from formula (8) that a decrease in the angle β 1 , ceteris paribus, leads to an increase in the efficiency of the element and, consequently, of the propeller as a whole. The calculations show that this increase can be about 10%.
Таким образом, приведенные выше рассуждения показывают следующее:
- расположение насадки в зоне сужающегося потока кормовой оконечности корпуса или мотогондолы и выбор оптимального угла ее конусности обеспечивают возникновение на ней полезной силы тяги даже при малых значениях нагрузки гребного винта;
- использование элементов конструкции крепления насадки на корпусе в качестве закручивающего аппарата обеспечивает возникновение момента, компенсирующего момент крена от работы гребного винта, а также приводит к увеличению КПД последнего, которое полностью или частично компенсирует сопротивление закручивающих лопаток;
- суммарное увеличение КПД предлагаемого движительного комплекса по сравнению с одиночным гребным винтом при одинаковых условиях работы может составлять 15%;
- расположение гребного винта в выходном сечении насадки или за ее пределами не вызывает ускорения потока на элементах винта и, следовательно, не ухудшает его кавитационных характеристик.Thus, the above reasoning shows the following:
- the location of the nozzle in the area of the tapering stream of the aft end of the hull or engine nacelle and the choice of the optimum angle of its taper ensure the emergence of useful thrust on it even at low loadings of the propeller;
- the use of structural elements of the attachment of the nozzle to the housing as a twisting device provides a moment that compensates for the roll moment from the operation of the propeller, and also leads to an increase in the efficiency of the latter, which fully or partially compensates the resistance of the twisting blades;
- the total increase in the efficiency of the proposed propulsion system compared to a single propeller under the same operating conditions can be 15%;
- the location of the propeller in the outlet section of the nozzle or beyond does not cause acceleration of the flow on the elements of the screw and, therefore, does not impair its cavitation characteristics.
Работоспособность предлагаемого устройства и расчетные оценки его эффективности подтверждены лабораторными испытаниями на макетном образце. The performance of the proposed device and the calculated estimates of its effectiveness are confirmed by laboratory tests on a prototype.
В настоящее время разработана методика проектировочного и поверочного расчета движительного комплекса предлагаемого типа, спроектирован и изготовлен опытный образец для скоростного подводного аппарата по одной из тем, разрабатываемых в ЦНИИ "Гидроприбор". At present, a design and verification methodology for the propulsion system of the proposed type has been developed, a prototype for a high-speed underwater vehicle has been designed and manufactured on one of the topics developed at the Central Research Institute "Gidropribor".
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002112204/11A RU2222469C1 (en) | 2002-05-06 | 2002-05-06 | Propulsion complex for underwater vehicle |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002112204/11A RU2222469C1 (en) | 2002-05-06 | 2002-05-06 | Propulsion complex for underwater vehicle |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2222469C1 true RU2222469C1 (en) | 2004-01-27 |
| RU2002112204A RU2002112204A (en) | 2004-02-10 |
Family
ID=32091082
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002112204/11A RU2222469C1 (en) | 2002-05-06 | 2002-05-06 | Propulsion complex for underwater vehicle |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2222469C1 (en) |
-
2002
- 2002-05-06 RU RU2002112204/11A patent/RU2222469C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Артюшков Л.С., Ачкинадзе А.Ш., Русецкий А.А. Судовые движители. - Л.: Судостроение, 1988, 59, с.245. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2002112204A (en) | 2004-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4370096A (en) | Marine propeller | |
| EP1053173B1 (en) | Propulsion system | |
| US6027383A (en) | Marine ducted propeller jet propulsion unit | |
| US20030228214A1 (en) | Mixed flow pump | |
| JP2020114732A (en) | Marine ducted propeller jet propulsion system | |
| US6273768B1 (en) | Water jet propulsion unit with counter-rotating impellers | |
| US4798547A (en) | Fuel efficient propulsor for outboard motors | |
| RU2222469C1 (en) | Propulsion complex for underwater vehicle | |
| KR20120053206A (en) | Propeller boss cap and propulsion apparatus having the same | |
| PL108669B1 (en) | Hull of a ship | |
| RU53261U1 (en) | SHIP MARINE INSTALLATION | |
| KR100303379B1 (en) | A projection apparatus of the underwater moving object | |
| KR101523920B1 (en) | Propulsion apparatus for vessel | |
| RU2213677C2 (en) | Water-jet propeller for submarine vessel | |
| US5915324A (en) | Screen system for marine thrusters | |
| RU2301761C1 (en) | Propeller with steering nozzle | |
| RU2057684C1 (en) | Water-jet propeller | |
| WO2013178853A2 (en) | Symmetrical fixed accelerating nozzle for aquatic vessels in the free navigation state | |
| US1267506A (en) | Propeller device. | |
| EP3851369A1 (en) | Marine vessel | |
| JPH069999B2 (en) | Variable Pitch Propeller for Marine | |
| Van Beek | Technology guidelines for efficient design and operation of ship propulsors | |
| WO2013178837A1 (en) | Accelerating nozzle for watercraft in a free navigation condition | |
| RU2102278C1 (en) | Marine water-jet propeller | |
| USRE16001E (en) | Screw propeller and similar |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090507 |